Разработка приемной части системы мониторинга транспортных средс. Разработка приёмной части системы мониторинга транспортных средств
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
Научно-практический электронный журнал Оригинальные исследования (ОРИС), ISSN 2222-0402 www.ores.su original-research.ru 31 УДК 004.428.4 РАЗРАБОТКА ПРИЁМНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Зюзин Владислав Дмитриевич Магистрант 2-ого курса Московский Технический Университет связи и Информатики Россия, Москва Куприков Олег Дмитриевич Магистрант 1-ого курса Московский Технический Университет связи и Информатики Россия, Москва Хорошенький Юрий Андреевич Магистрант 2-ого курса Московский Технический Университет связи и Информатики Россия, Москва Аннотация В настоящее время транспортные средства становятся неотъемлемой частью в жизни любого человека. Повсеместно используются службы доставки, каждый из нас пользовался службами такси. Все более популярными становятся службы «каршеринга». Беспрекословное выполнение обязанностей и соблюдение правил сотрудниками или пользователями сервиса напрямую влияет на экономическую составляющую предприятия. В рамках данной работы разрабатывается приемная часть для оборудования системы оперативного мониторинга транспортных средств, для отслеживания и контроля сотрудников автотранспортных предприятий. В первом разделе описываются основные проблемы, которые может решить автотранспортное предприятие, используя разрабатываемое оборудования для системы мониторинга. Во втором разделе описывается используемый для передачи сообщений и создания самоорганизующейся сети протокол VDL Mode 4, а также методы его модернизации. В третьем разделе представлена разработанная функциональная схема, а также подробное описание функции каждого элемента в схеме. В четвертом разделе разработана электрическая схема, предоставлен список всех элементов, а также подробное описание основных составляющих приведенной электрической схемы. В пятом разделе представлен конечный проект, состоящий из нескольких программ. Приведен листинг и описание работы каждый программы. «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 32 Ключевые слова: система мониторинга, оборудование, прием, информация, самоорганизующаяся сеть, протокол, функциональная схема, электрическая схема, процессор, кодек, трансивер, ОЗУ, аналоговый сигнал, цифровой сигнал, генератор, фильтр, КИХ, демодулятор, АЦП, программа, транспортное средство, транспорт, предприятие, оценка, производительность, ADSP-2181, Analog Devices, VDL Mode4, ADS-B, DSP, VisualDSP. DEVELOPMENT OF THE RECEIVING PART OF THE VEHICLE MONITORING SYSTEM Vladislav D. Zyuzin 2nd year Master's student Moscow Technical University of Communications and Informatics Russia, Moscow Oleg D. Kuprikov 1st year Master's student Moscow Technical University of Communications and Informatics Russia, Moscow Yuri A. Khoroshenkiy 2nd year Master's student Moscow Technical University of Communications and Informatics Russia, Moscow ABSTRACT Currently, vehicles are becoming an integral part of any person's life. Delivery services are widely used, and each of us has used taxi services. "Car sharing" services are becoming more and more popular. Unquestioning performance of duties and compliance with the rules by employees or users of the service directly affects the economic component of the enterprise. As part of this work, a receiving part is being developed for the equipment of an operational vehicle monitoring system, for tracking and controlling employees of motor transport enterprises. The first section describes the main problems that a road transport company can solve using the developed equipment for the monitoring system. The second section describes the VDL Mode 4 protocol used for sending messages and creating a self-organizing network, as well as methods for upgrading it. The third section presents the developed functional diagram, as well as a detailed description of the function of each element in the diagram. In the fourth section, an electrical circuit is developed, a list of all the elements is provided, as well as a detailed description of the main components of the given electrical circuit. The fifth section presents the final project consisting of several programs. A listing and description of the operation of each program is provided. «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 33 Keywords: monitoring system, equipment, reception, information, self-organizing network, protocol, functional circuit, electrical circuit, processor, codec, transceiver, RAM, analog signal, digital signal, generator, filter, FIR, demodulator, ADC, program, vehicle, transport, enterprise, evaluation, performance, ADSP-2181, Analog Devices, VDL Mode4, ADS-B, DSP, VisualDSP. Введение В настоящее время транспортная отрасль играет огромную роль для экономики, так как для многих предприятий работающих с автопарком организация транспортной сети будет влиять на производительность компании в целом. В этих целях автопарк должен быть оборудован системой мониторинга для постоянного отслеживания сотрудников и управления транспортной сетью. Разрабатываемое в дипломном проекте оборудование представляет собой систему мониторинга, работающую на базе сигнального процессора ADSP-2181, реализующую приём и передачу информации через GNSS, а также шифрование и дешифрование с использованием протокола RSA с аутентификацией, что повышает безопасность и конфиденциальность передаваемой информации. Данная система генерирует информацию, содержащую координаты, один раз в пять секунд, что в свою очередь значительно повышает точность определения положения каждого транспортного средства. Оборудование имеет возможность сохранения таких параметров транспортного средства, как координаты, время и скорость для отслеживания маршрутов и времени передвижения. Так же возможно расширение функционала системы, так как оборудование может быть дополнительно подключено к любой системе транспортного средства. Основной особенностью данной системы мониторинга является организация сети, так как информация передаётся не на один терминал, а рассылается на каждое оборудование в сети, что позволяет водителям видеть друг друга в режиме реального времени. Цель данной дипломной работы заключается в разработке принимающей части системы мониторинга транспортных средств, в которой реализуется приём сообщения, обработка его фильтром для очистки сигнала от шумов, демодуляции полученного сигнала и сохранением полученной информации в памяти процессора ADSP-2181. В первом разделе подробно описываются различные проблемы и ситуации, с которыми сталкиваются владельцы автопарков и то, как системы оперативного мониторинга транспортных средств помогают решать эти проблемы. Во втором разделе представлено описание и структура сети, в которой работает разрабатываемая система мониторинга транспортных средств. Особое внимание уделено такой возможности, как реализация самоорганизующейся сети. В третьем разделе представлена функциональная схема приемной части системы оперативного мониторинга транспортных средств, а также подробное описание каждого элемента схемы. В четвёртом разделе подробно рассматривается электрическая схема приемной части системы оперативного мониторинга транспортных средств и ее элементов. В пятом разделе представлена реализация прикладного алгоритмического и программного обеспечения приемной части системы оперативного мониторинга транспортных средств. Рассматривается реализация используемого фильтра и его характеристик, а также кода программы для процессора ADSP-2181. В заключении сделаны выводы по результатам проделанной работы и представлен план реализации и дальнейшего развития разрабатываемой системы мониторинга транспортных средств. «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 34 Разработка системы оперативного мониторинга транспортных средств на базе самоорганизующейся сети Оборудование для разрабатываемой в данной работе системы оперативного мониторинга транспортных средств выполняет приём и передачу информации в самоорганизующейся сети. Самоорганизующаяся сеть – сеть, которая не обладает постоянной структурой и имеет возможность изменения и распределения функций между узлами, в роли которых выступает разрабатываемое оборудование. Изменения и перераспределения происходят в случае обновления состояния сети: подключение нового устройства к сети, отключение устройства от сети, изменение плотности передаваемого трафика и т. д. Используемая самоорганизующаяся сеть, структура которой представлена на рисунке 1, позволяет осуществлять приём, передачу и ретрансляцию информации с каждого оборудования в сети. Передача информации происходит в пакетном режиме, каждый пакет, передаваемый с оборудования, содержит необходимую информацию о транспортном средстве, такую как: номер транспортного средства, координаты, скорость по GPS, уровень топлива и дополнительные параметры. Каждый параметр на выходе процессора представляется в двоичном коде, и занимает в пакете определённое место для корректного чтения информации на принимающем оборудовании. Рисунок 1. Структура самоорганизующейся сети Преимущества используемой самосинхронизующейся сети: 1) Надежность. В случае потери прямой связи транспортного средства с операторской станцией, информация будет передаваться через соседние транспортные средства, организуя косвенную связь с операторской станцией. Сценарий надежности приведён на рисунке 2, на котором иллюстрируется обрыв прямого соединения транспорта А со спутником по причине переполнения канала или нарушения синхронизации, но связь со спутником была восстановлена с использованием косвенного маршрута через транспорт Б. «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 35 Рисунок 2. Обеспечение надёжности сети 2) Безопасность. Используемая сеть передаёт информацию в зашифрованном виде, посредством реализации в системе системы шифрования RSA с аутентификацией, что позволяет избежать чтение передаваемой информации сторонними устройствами, а также позволяет определять устройства, от которых передаётся сообщение, как «свой» или «чужой». Сценарий безопасности приведён на рисунке 3. Иллюстрация показывает успешное соединение между «своими» транспортными средствами, но на запрос к подключению от «чужого» транспортного средства поступает отказ и игнорирование постороннего транспорта. Рисунок 3. Обеспечение безопасности сети 3) Масштабируемость и изменение структуры. Функция самоорганизации позволяет в автоматическом режиме изменять структуру сети, добавляя или убирая узлы. Таким образом, сеть не имеет сдерживающих факторов, которые могут ограничить максимальное количество приемопередающих станций, может обрабатывать ситуации, связанные с перегрузкой канала, перенаправляя потоки данных, что обеспечивает приспособление к передаваемому трафику. На рисунке 4 представлена ситуация в которой транспортные средства Б, В и Г не имеют возможности напрямую связаться со спутником, и автомобиль А ретранслирует их пакеты на спутник. В этой ситуации оборудование на «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 36 транспорте А оказывается перегруженным из-за большого количества ретранслируемой информации, поэтому принимается решение отсоединить автомобиль Д от автомобиля А, так как транспорт Д не имеет проблем с прямой связью со спутником и может передавать свои данные через него. Рисунок 4. Обеспечение масштабируемости сети 4) Приоритетность. В случае необходимости передачи неотложного сообщения, то есть сообщения наивысшего приоритета, самоорганизующаяся сеть в автоматическом режиме выберет путь с наименьшим количеством узлов с учетом загруженности каналов в сети. Рисунок 5 иллюстрирует возникновение непредвиденной ситуации на транспорте (проблемы с двигателем) и показывает путь с наименьшим количеством узлов, передавая сообщение высшего приоритета без задержки и вне очереди. Рисунок 5. Обеспечение приоритетности в сети «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 37 Самоорганизующаяся сеть с применением протокола VDL Mode 4 Для реализации самоорганизующейся сети в системе оперативного мониторинга транспортных средств было принято решение использовать модифицированный протокол VDL Mode 4. Very High Frequency (VHF) Data Link (VDL) Mode 4 используется для выполнения операций установления связи, навигации и наблюдения и позволяет обеспечивать цифровую связь между мобильными станциями (оборудование на транспорте), а также между мобильной станцией и наземной станцией (операторское оборудование). VDL Mode 4 передаёт цифровые данные по стандартному каналу связи VHF в полосе 25 кГц и использует протокол с временным разделением доступа (TDMA) [1]. Time Division Multiple Access (TDMA) – это система, которая разбивает канал связи на сегменты. Сегменты состоят из суперфреймов длительностью в одну минуту (одноминутный суперфрейм), а каждый суперфрейм состоит из 4500 временных слотов длительностью 13,33 мс, которые определяют наиболее удачное время для передачи информации с оборудования. Структура, описанного суперфрейма, представлена на рисунке 6. Рисунок 6. Структура суперфрейма Стоит отметить, что разделение доступного времени передачи информации на большое количество коротких временных слотов является одной из основных возможностей используемого протокола VDL Mode 4. Эта возможность позволяет намного повысить эффективность использования каналов передачи для всей системы, а также уменьшает количество ошибок и нагрузку на оборудование, так как исключает одновременную передачу данных несколькими устройствами. Кроме того, использование системы TDMA позволяет организовать в протоколе VDL Mode 4 функцию самоорганизации и автономности. Это связано с тем, что суперфреймы ретранслируются по всем доступным в сети устройствам, а так как каждое устройство помещает свои данные в установленные для него временные слоты, эти данные может принять любое устройство, что в свою очередь избавляет от необходимости прямой связи с операторской станцией, а также полностью пропадает нужда в использовании наземных станций для приёма и дальнейшей передачи информации оператору. Корректная работа протокола VDL Mode 4 с применением системы TDMA возможна только в случае точной синхронизации слотов суперфрейма. Синхронизация начальной и конечной точек временного слота происходит на каждом оборудование в системе посредством рассылки информации от сети точного времени (UTC) через ГЛОНАСС или GPS. Universal Coordinated Time (UTC) – это всемирный стандарт, который применяется для регулирования и точной настройки времени. Этот стандарт не имеет часовых поясов или переходов на летнее время, следовательно, время стандарта UTC одинаково в любой точке мира. Работу протокола VDL Mode 4 можно пояснить, исследовав основные функциональные элементы: «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 38 1) Физический уровень. Определяет необходимый тип модуляции, применяемый на разрабатываемом оборудование, для кодирования информации, которую содержит каждый временной слот. 2) Структура фреймов в методе TDMA. Самая маленькая ячейка – это временной слот. Далее идёт фрейм, который содержит 75 слотов. Самый большой кадр – суперфрейм, содержащий 60 фреймов или 4500 временных слотов. Каждый слот может быть использован для приёма или передачи информации на каждом оборудовании в системе. Один слот содержит одно сообщение от оборудования, при условии передачи только данных о местоположении. При передаче большого количества данных может быть использовано несколько слотов, но не больше 75 слотов (фрейма). 3) Отсчёт времени в системе оперативного мониторинга. Используется для синхронизации границ временных слотов, а также для синхронизации транспортных средств с операторской станцией. Кроме синхронизации времени по стандарту UTC поддерживает передачу в аварийном режиме, при котором синхронизация происходит по использованию наилучшего времени по оценке оборудованием. В этом режиме оборудование производит максимально точную аппроксимацию для уменьшения дисбаланса своей временной карты слотов с картой соседних устройств. 4) Информация о местоположении. В данном протоколе информация о текущем местоположении транспортного средства используется для управления доступом к каналу передачи. В случае приближения двух устройств друг к другу на определенное расстояние, принимается решение настроить канал приёма-передачи между ними, что относится к функции самоорганизации. 5) Выбор слота. Данный функциональный элемент протокола является одним из самых важных, для реализации корректной работы всей системы. Применяется для выбора слотов для новой передачи сообщения. При наличии свободного канала поиск свободного слота выполняется простой операцией перебора, пока не будет найден незарезервированный слот. При увеличении занятости канала и, как следствие, отсутствие незанятых слотов VDL Mode 4 позволяет устройству выбрать неиспользуемый, но ранее зарезервированный другим устройством слот. Так же этот элемент даёт возможность не только распределять слоты между устройствами через операторскую станцию, но и распределять временные слоты в автоматическом режиме в обход операторской станции, что так же влияет на функцию самоорганизации. Модификация протокола VDL Mode 4 Изначально протокол VDL Mode 4 применяется для организации системы оперативного мониторинга воздушного транспорта, это связано с тем, что данный протокол позволяет принимать и передавать большое количество информации с большого количества устройств, а синхронизация временных слотов по UTC позволяет собирать одновременно данные с устройств в разных точках мира. Особенность формирования пакетов данных с воздушного судна заключается в том, что помимо координат и состояния судна, оборудование производит расчёт пути, основываясь на текущей скорости и вектору направления, что позволяет определить не только настоящее положение самолета, но и проанализировать его положение в будущем. Поэтому для реализации данного протокола для наземных транспортных средств, требуется его модификация. Были изменены ключевые параметры передачи данных данного протокола, а именно: 1) Уменьшение скорости генерации информации. В протоколе VDL Mode 4 для воздушного транспорта генерация пакетов данных от каждого устройства происходит 1 раз в секунду, такое частое обновление информации связано с высокой скоростью |