38888

Средства моделирования беспроводных сенсорных сетей на базе протокола ZigBee с выбором наилучшего

Дипломная

Информатика, кибернетика и программирование

Моделирование сети проводилось в программном пакете OMNET с использованием симулятора Cstli. В разделе Технологическая часть изложена полная установка и настройка программного пакета OMNET и симулятора Cstli на операционной системе Ubuntu 10.5 Структура каталогов OMNET и Cstli 60 2.1 построен симулятор различных протоколов беспроводных сенсорных сетей Cstli текущая версия 3.

Русский

2013-09-30

3.33 MB

223 чел.

Аннотация

В данной дипломной работе даны общие сведения по основным стандартам для беспроводной связи в сетях, в частности рассмотрен стандарт IEEE 802.15.4. Приведен обзор средств моделирования беспроводных сенсорных сетей на базе протокола ZigBee с выбором наилучшего. Моделирование сети проводилось в программном пакете OMNET++ с использованием симулятора Castalia.

В разделе "Технологическая часть" изложена полная установка и настройка программного пакета OMNET++ и симулятора Castalia на операционной системе Ubuntu 10.10, реализованной на базе OS Linux.

В разделе "Экономическая часть" произведен расчет всех затрат на производство одной программы в течении трех месяцев и ожидаемой прибыли.

В разделе "Охрана труда" приведены обзор и рекомендации по защите здоровья от вредных и опасных факторов, возникающих при работе с ЭВМ, таких как: поражение электрическим током и влияние излучение монитора на здоровье человека.

Характеристики дипломного проекта:

  1.  99 страниц;
  2.  33 иллюстрации;
  3.  13 таблиц;
  4.  24 источника информации;
  5.  8 страниц графического материала.


Оглавление

1. Специальная часть          4

Введение            4

1.1 Постановка задачи          5

1.2 Общие сведения по беспроводным сенсорным сетям    6

1.2.1 Беспроводная сенсорная сеть       6

1.2.2 Применение сенсорных сетей       6

1.2.3 Выбор стандарта         7

1.2.4 Описание стандарта IEEE 802.15.4      10

1.2.5 Эффективная скорость передачи данных     19

1.2.6 Расчет энергопотребления и времени работы     21

1.2.7 Выводы           23

1.3 Обзор средств моделирования        23

1.3.1 NS-2           24

1.3.2 OPNET Modeler         25

1.3.3 OMNET++          30

1.3.4 Выбор средства моделирования       33

1.3.5 Выводы           34

1.4 Моделирование БСС         35

1.4.1 Программно-графическое представление сети    35

1.4.2 Создание конфигурационного файла      37

1.4.3 Моделирование сети         39

1.4.4 Выводы           44

1.5 Расчет надежности системы        44

1.5.1 Завершенность          44

1.5.2 Устойчивость          48

1.5.3 Восстанавливаемость        49

1.5.4 Готовность          49

2. Техническая часть          50

2.1 Выбор ОС           50

2.2Установка и настройка         51

2.2.1 Оборудование          51

2.2.2 Загрузка ПО          51

2.2.3 Установка и настройка ПО        51

2.2.4 Проверка работоспособности ПО      57

2.2.5 Структура каталогов OMNET++ и Castalia     60

2.2.6 Число пользователей         62

3. Экономическая часть         63

3.1 План производства         63

3.2 План рисков          64

3.3 Финансовый план и финансовая стратегия     65

3.4 Выводы           67

4. Охрана труда           68

4.1 Введение           68

4.2 Исследование опасных и вредных факторов при работе с ЭВМ  69

4.3 Методы защиты пользователей от опасных и вредных факторов  73

4.4 Эргономические требования к рабочим местам пользователей  81

4.5 Рекомендации по защите пользователей от излучений ЭВМ  86

4.6 Выводы           86

Заключение           87

Приложение 1. Листинг         88

Приложение 2. Графический материал       99

Список литературы          108


1. Специальная часть

Введение

Данная квалификационная работа посвящена моделированию беспроводных сенсорных сетей (БСС) на базе современных маломощных модулей.

Рассматриваются стандарты беспроводных сенсорных сетей и изучается стандарт, разработанный институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) для низкоскоростных сетей 802.15.4.

Исследуются существующие аналогичные системы моделирования беспроводных сенсорных сетей.

Разработка является актуальной, так как в настоящее время стоимость компонентов сенсорных сетей достаточно велика, чтобы иметь возможность построить сеть значительных размеров для научных исследований. И в этом случае актуальной является задача имитационного моделирования отдельных событий и состояний этих сетей.

Данная работа направлена на исследование вопроса потребления энергии каждым устройством беспроводной сенсорной сети. Была смоделирована сеть с топологией звезда состоящая из 20 станций и использующих стандарт 802.15.4 для беспроводной связи.


1.1 Постановка задачи

Цель работы:

Разработать программу для моделирования беспроводной сенсорной сети с топологией звезда, определить количество потребляемой энергии и максимальное время работы каждого устройства сети.

Дано:

  •  стандарт 802.15.4;
  •  используются 2 батарейки AA.

Требуется:

  •  изучить стандарты беспроводных сенсорных сетей;
  •  провести анализ известных средств моделирования БСС;
  •  разработать программу для моделирования БСС;
  •  определить количество потребляемой энергии каждым устройством в сети;
  •  определить максимальное время работы каждого устройства в сети.


1.2 Общие сведения по беспроводным сенсорным сетям.

1.2.1 Беспроводная сенсорная сеть

В настоящее время бурно развивается технология беспроводных сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети – это распределенные самоорганизующиеся сети, устойчивые к отказу отдельных элементов, обменивающихся информацией по беспроводной связи. Каждый элемент сети имеет автономный источник питания, микрокомпьютер, приемник/передатчик. Область покрытия сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров, в зависимости от типа модуля и антенны, а также за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Обмен данными между двумя конечными устройствами может осуществляться через ретранслятор, в том случае, если дальность работы этих устройств не позволяет их взаимное обнаружение. Таким образом, устройства с малым радиусом действия с помощью системы ретрансляторов могут общаться друг с другом.

Выделяют следующие основные стандарты для маломощных беспроводных сетей:

  •  IEEE 802.15.4;
  •  ZigBee;
  •  Bluetooth;
  •  Wibree.

1.2.2 Применение сенсорных сетей.

Обычно БСС применяется для сбора данных с устройств, оснащенных сенсорами: датчиком температуры, влажности, освещения, то есть мониторинга. Например, миниатюрные сенсоры могут быть использованы в медицине для наблюдения за пациентами. Устройства, которые пациент носит с собой, могут контролировать работу жизненно важных органов и в случае каких-то опасных ситуаций сообщать врачу.

Небольшие размеры устройств позволяют проводить не только «поверхностные» наблюдения за пациентом, но и исследовать внутренние органы человека. Так при проведении гастроскопии в государственных больницах, поликлиниках применяют специальные аппарат, с гастроскопической трубкой, но не все пациенты могут её проглотить. На рынке уже существуют устройства в виде таблеток для проведения таких исследований. Эти устройства с батарейным питанием имеют запас энергии, достаточный того, чтобы непрерывно работать в течение 24 часов и отправлять показания другому устройству, которое пациент носит с собой в течение этого времени. После этого врач может анализировать полученные результаты и поставить точный диагноз.

Сенсоры могут использоваться для автоматического включения освещения, когда человек входит в комнату, использоваться для управления каких-нибудь устройств (в системе «умный дом»).

Иногда требуется следить за подвижностью или разрушением каких-либо объектов, где трудно проложить кабели. Для этого опять же выгоднее применить сенсорные сети, так как датчики имеют автономный источник питания и они беспроводные.

Также технология беспроводных сенсорных сетей может быть использована для передачи звуковых данных – в качестве домофонной системы, мультимедиа системы с низким энергопотреблением.

1.2.3 Выбор стандарта

Различных стандартов беспроводных сетей существует великое множество, однако их всех можно подразделить на три группы: WPAN (Wireless Personal Area Network – беспроводная персональная сеть), WLAN (Wireless Local Area Network – беспроводная локальная сеть), WMAN (Wireless Metropolitan Area Network – беспроводная сеть масштаба города) (Рис. 1). Из этих групп наиболее подходящими могут быть стандарты группы WPAN, так как они рассчитаны на низкоскоростные сети.

Рис.1 Стандарты беспроводных сетей

WPAN (Wireless Personal Area Network) беспроводная сеть, предназначенная для организации беспроводной связи между различного типа устройствами на ограниченной площади (например, в рамках квартиры, офисного рабочего места). Стандарты, определяющие методы функционирования сети, описаны в семействе спецификаций IEEE 802.15.

IEEE 802.15.3 разрабатывался как высокоскоростной стандарт WPAN-сетей для высокотехнологичных бытовых устройств (предназначенных, как правило, для передачи мультимедийных данных). Использование полосы 2,4 ГГц и технологии модуляции O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная манипуляция фазовым сдвигом со смещением) позволяют достигать скорости передачи в 55 Мб/с на расстояние до 100 метров. Защита данных может производиться по стандарту AES. В модификации стандарта 802.15.3a предполагается увеличить пропускную способность до 480 Мб/с, а в случае спецификации 802.15.3b пропускная способность составит от 100 до 400 Мб/с. Данный стандарт предусматривается под достаточно большие скорости при передачи данных, а, следовательно, устройства, работающие на нем будут иметь высокое энергопотребление.

802.15.4 и Zigbee часто отождествляются, ведь в основе стандарта Zigbee лежит стандарт 802.15.4, однако консорциум ZigBee Alliance внес ряд изменений и расширил его. Стандарт 802.15.4 является открытым и его можно свободно скачать из Интернета и использовать, Zigbee же является наполовину открытым стандартом: так при использовании его в коммерческих целях необходимо вступать в ZigBee Alliance. К минусам данного стандарта можно отнести его закрытость, а также большая область применения, а не «заточенность» под конкретные цели.

Стандарт Bluetooth (802.15.1) на сегодняшний день хорошо развит и применяется для связи мобильных телефонов, КПК, периферии. Однако он не рассчитан на сети с низким энергопотреблением, что существенно ограничивает его распространение в сенсорных сетях. Устройства по стандарту Bluetooth могут объединяться в пикосети (не более 7 на одну сеть). В сети имеется ведущее и ведомое устройство. Для обмена данными используется так называемый нижний ISM-диапазон (Industry, Science and Medicine - промышленный, научный и медицинский) 2,4–2,5 ГГц, который распространен в бытовых приборах и беспроводных сетях. Для использования этих частот лицензия не требуется. Мощность передатчика-кристалла составляет 1 – 2,5 мВт и дальность действия до 10 м, а при увеличении мощности до 100 мВт – 100 м. Данный стандарт мог бы подойти для разработки, однако на рынке не имеются устройства, работающие по данному стандарту с низким энергопотреблением, они только предполагаются к выпуску на рынок.

Стандарт Wibree разработан фирмой Nokia в 2001 году. Wibree предназначен для работы бок о бок с Bluetooth. Он работает в диапазоне 2,4 ГГц с физической скоростью передачи 1 Мбит/с. Основные области применения включают такие устройства, как наручные часы, беспроводные клавиатуры, игрушки и спортивные датчики, где низкое энергопотребление является одним из ключевых требований. Данный стандарт можно отнести к стандарту Bluetooth, поэтому у него имеются такие же недостатки – количество подключаемых устройств ограничено, отсутствуют на рынке модули с низким энергопотреблением.

Сравнительная характеристика некоторых стандартов выглядит следующим образом (Таблица 1).

Bluetooth

Wibree

ZigBee

Частота

2,4 ГГц

2,4 ГГц

2,4 ГГц

Потребляемая мощность

100 мВт

~10 мВт

30 мВт

Срок работы батареи

до 6 месяцев

1 - 2 года

0,5 - 2 года

Диапазон

10 - 30 м

10 м

10 - 75 м

Скорость передачи

1 - 3 Мб/с

1 Мб/с

25-250 Кб/с

Цена

3$

3,2$

2$

Топологии

Звезда, точка-точка, смешанная

Безопасность

128-битное шифрование

Время отклика

3 с

3 с

15 мс

Таблица 1: Сравнение стандартов беспроводных сетей

Наиболее подходящий стандарт 802.15.4, так как он является открытым, предназначен для низкоскоростных сетей с низким энергопотреблением.

1.2.4 Описание стандарта IEEE 802.15.4

Стандарт 802.15.4 предназначен для организации двух нижних уровней эталонной модели OSI в беспроводной сенсорной сети – физический (PHY) и канальный (подуровень MAC). Эти слои предлагают услуги высшим слоям (Рис. 2). Интерфейсы между слоями служат для определения логических связей. Физический уровень предоставляет две услуги: физическое обслуживание данных и физическое обслуживание управления. Задачи уровня – активация/дезактивация радио- приемопередатчика, выбор канала, определение уровня энергии (energy detection), передача и получение пакетов через физическую среду. MAC уровень предоставляет следующие услуги: обслуживание данных и обслуживание управления на канальном уровне. Задачи уровня – сигнальное управление, доступ к каналу, управление GTS, утверждение пакетов, подтверждение доставки пакетов, соединение (ассоциация) и разъединение (дизассоциация) с устройствами, кроме того обеспечение механизма безопасности.

Рис.2 Архитектура уровней

Стандарт определяет протокол и взаимосвязь устройств в следующих трех не лицензируемых радиодиапазонах:

  •  868,0 – 868,6 МГц (Европа, один канал);
  •  902 – 928 МГц (Северная Америка, всего 10 каналов, шаг центральных частот – 2 МГц, самая нижняя из них – 906 МГц);
  •  2450 МГц (остальной мир, всего 16 каналов, шаг центральных частот – 5 МГц, самая нижняя из них – 2405 МГц).

Скорости передачи данных в каналах при этом составляют от 20 Кбит/с (в диапазоне 868 МГц) до 250 Кбит/с (2450 МГц).

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS) и параллельной (PSSS). Вся используемая «широкая» полоса частот делится на некоторое число подканалов. Каждый передаваемый бит информации превращается, по заранее зафиксированному алгоритму, в последовательность из n бит, и эти n бит передаются одновременно и параллельно, используя все n подканалов.

В каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) встраивается последовательность так называемых чипов. Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательности), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума. Благодаря этому можно использовать один и тот же участок радиоспектра дважды - обычными узкополосными устройствами и «поверх них» — широкополосными.

Модуляция данных – квадратурная фазовая со сдвигом (O-QPSK). Формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты квадратурной составляющей несущей Q имеют временную задержку на длительность одного элемента Т. Изменение фазы при таком смещении кодирующих потоков определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя. В результате скачки фазы на 180° отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, 90 или 270° (–90°). Серьезным недостатком фазовой модуляции является то обстоятельство, что при декодировании сигнала приемник должен определять абсолютное значение фазы сигнала, так как в фазовой модуляции информация кодируется именно абсолютным значением фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приемник имел информацию об «эталонном» синфазном сигнале передатчика. Тогда путем сравнения принимаемого сигнала с эталонным можно определить абсолютный сдвиг фазы.

Все устройства стандарта можно классифицировать по функциональности и по назначению.

По функциональности можно выделить два типа устройств: полнофункциональные (FFD) и полуфункциональные (RFD). Полнофункциональное устройство может соединяться с любым устройством в сети, а полуфункциональные - только с FFD.

По назначению существуют три различных типа устройств ZigBee.

Координатор ZigBee (ZC) — наиболее ответственное устройство, формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он управляет сетью – назначает PAN ID сети, раздает короткие адреса, выбирает частоту.

Маршрутизатор ZigBee (ZR) — может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения.

Конечное устройство ZigBee (ZED) — его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC.

Выделяют следующие топологии сети:

  •  звезда;
  •  точка-точка (сеть равноправных узлов).

Рис.3 Топология сети

В топологии «звезда» обмен данными происходит между центральным главным контроллером, называемым PAN-координатором и остальными ведомыми устройствами. Он является первичным устройством в сети и поэтому может питаться от стационарного источника.

В топологии «равноправных узлов» также имеется PAN-координатор, однако любое устройство, в отличие от топологии «звезда», может связаться с другим, пока они находятся в пределах друг друга. Таким образом «равноправные узлы» могут образовывать более сложные сетевые образования, например, петлю или кластерное дерево (Рис. 4). В этом случае RFD устройства соединяются с древовидной кластерной схемой как листовое устройство в конце ветви.

Рис.4 Кластерная топология

Все устройства должны поддерживать уникальные 64-разрядные адреса. Эти адреса используются для адресации в пределах данной сети. Чтобы уменьшить трафик сети предусмотрено использование 16-разрядных адресов, назначаемых координатором сети.

В стандарте также определено опциональное использование суперструктуры (superframe). Она определяется координатором и связывается маяками (beacon). Эти маяки передаются в первом слоте каждой суперструктуры. Существует её два вида – с активным и неактивным периодами. В течении неактивного периода координатор может перейти в маломощный режим. Если использовать суперструктуру не обязательно, то координатор перестанет посылать маяки. Маяки служат для синхронизации устройств с PAN-координатором во время соединения. Любое устройство, желающее связаться в течении CAP (период доступа), конкурирует с другими устройствами, используя CSMA-CA механизм. Все транзакции завершаются до следующего маяка. Для приложений, требующих низкий уровень ожидания или требующих пропускную способность для специфических данных, координатор выделяет специальные суперструктуры – гарантированные временные слоты (GTS). GTS формируется в свободный период (CFP), который всегда появляется в конце активной суперструктуры, после CAP.

Упомянутый механизм CSMA-CA работает по принципу прослушивания частот в течение определенного времени и обнаружения свободной частоты для передачи данных. Если канал занят, то узел «отстраняется» и ждет определенное количество времени, прежде чем опять предпринять попытку отправки пакета. Избежание коллизий используется для того, чтобы улучшить производительность CSMA, отдав сеть единственному передающему устройству. Эта функция возлагается на «сжатый сигнал» в CSMA/CA. Улучшение производительности достигается за счёт снижения вероятности коллизий и повторных попыток передачи. Но ожидание «сжатого сигнала» создаёт дополнительные задержки, поэтому другие методики позволяют достичь лучших результатов.

Модель пересылки данных заключает в себе три вида транзакций. Первый вид – передача данных координатору, второй – передача от координатора, третий вид – передача между равными устройствами. В топологии типа «звезда» применяется только первые два вида транзакций, так как данные идут между координатором и устройством. В топологии «равноправных узлов» возможны все три вида транзакций.

Пересылка данных координатору происходит в следующем порядке (Рис. 5):

  •  устройство ищет маяк, посылаемый координатором. Когда маяк найден устройство синхронизируется;
  •  далее в определенный момент времени (по механизму CSMA-CA) отправляются сами данные;
  •  получив данные, координатор отправляет устройству подтверждение об успешном приеме данных.

В случае, если маяк не используется, данные сразу пересылаются координатору по механизму CSMA-CA. При получении данных он также отправляет подтверждение.

 

Рис.5 Схема передачи данных координатору с использованием и без использования маяка

Пересылка данных от координатора (Рис. 6):

  •  координатор информирует устройство в маяке о наличии данных;
  •  устройство, получив маяк, отправляет MAC команду запроса данных;
  •  в ответ координатор отправляет подтверждение об успешном приеме;
  •  сразу за подтверждением пересылаются сами данные;
  •  по прибытию данных устройство отправляет координатору подтверждение об успешном получении.

Если маяк не используется, то координатор накапливает данные и при получении запроса от устройства отправляет их.

 

Рис.6 Схема передачи данных от координатора с использованием и без использования маяка

При передаче данных между равноправными устройствами данные могут передаваться, как и в первых двух случаях, после синхронизации.

Стандартом определяется четыре типа пакетов:

  •  сигнальный пакет (beacon frame), используемый координатором, чтобы передавать маяки;
  •  пакет данных (data frame), используемый для передачи данных;
  •  пакет подтверждения (acknowledgment frame), используемый для подтверждения успешного приема;
  •  командный пакет, используемый для управления объекта MAC.

Сигнальный пакет имеет следующую структуру (Рис. 7).

Рис.7 Структура сигнального пакета

Пакет данных имеет следующую структуру (Рис. 8).

Рис.8 Структура сигнального пакета

Пакет подтверждения имеет следующую структуру (Рис. 9).

Рис.9 Структура пакета подтверждения

Командный пакет имеет следующую структуру (Рис. 10).

Рис.10 Структура командного пакета

Для проверки целостности пакета в нем содержится так называемая контрольная сумма (16-битное поле FCS). Алгоритм вычисления контрольной суммы носит название циклического избыточного кода (CRC). Для получения контрольной суммы, необходимо сгенерировать полином G(x). Основное требование к полиному: его степень должна быть равна длине контрольной суммы в битах. При этом старший бит полинома обязательно должен быть равен «1». Из файла берется первое слово. Если старший бит в слове "1", то слово сдвигается влево на один разряд с последующим выполнением операции XOR. Соответственно если старший бит в слове "0", то после сдвига операция XOR не выполняется. После сдвига (умножения) теряется старый старший бит, а младший бит освобождается (обнуляется). На место младшего бита загружается очередной бит из файла. Операция повторяется до тех пор, пока не загрузится последний бит файла.

После прохождения всего файла, в слове остается остаток, который и является контрольной суммой.

В данном стандарте 802.15.4 предусматривается защита данных с помощью симметричных ключей шифрования. Криптографический механизм предусматривает:

  •  конфиденциальность данных (передаваемая информация известна только тем, кому она предназначена);
  •  подлинность данных (защита от изменения данных в пути);
  •  дублирование данных (повторная передача данных).

1.2.5 Эффективная скорость передачи данных

В стандарте 802.15.4 для частот в диапазоне 2,4 ГГц определена максимальная скорость передачи 250 Кбит/с. На практике она оказывается меньше из-за дополнительных служебных полей, включенных в каждый передаваемый пакет.

В стандарте определен алгоритм доступа к среде передачи данных CSMA/CA.

Рассчитаем время, затраченное на подготовку к передаче данных:

а) Каждый раз, когда устройство передает данные, оно ждет случайный промежуток времени из диапазона , после чего определяет занятость канала (CCA). Если канал свободен, устройство передает данные, иначе оно снова ждет случайный промежуток времени. Обычно показатель BE устанавливается равным 3, поэтому в самом худшем случае время, затраченное на подготовку к передаче, будет равно:

мс Время CCA равно 8 символьным периодам, время aUnitBackOffPeriod равен 20 символьным периодам, 1 символьный период равен 16 мкс.

Теперь рассмотрим необходимое время на передачу данных:

б) Согласно стандарту 802.15.4 максимальный размер полезной нагрузки фрейма равен:

,

где , .

Как видно, размер полезной части зависит от длины служебных полей. Более поздняя версия стандарта 802.15.4b позволяет увеличить полезную нагрузку фрейма, когда используются короткие адреса (16 бит вместо 64). В этом случае объем данных будет равен 114 байтам.

Таким образом, время передачи данных составит:

мс

в) После отправки пакета данных необходимо отправить кадр подтверждения. Кадр подтверждения приема данных состоит из 11 байт. Если принять скорость на входе равной 250 Кбит/с, то передача займет 0,352 мс. Следует отметить, что при передачи подтверждений не используется алгоритм разрешения конфликтов CSMA-CA.

Перед отправкой подтверждения есть задержка в 192 мкс, связанная с тем, что устройство должно перейти из режима приема в режим передачи. Кроме того, чтобы дать устройствам достаточно времени на обработку принятых данных, в стандарте определены минимальные задержки, которые следуют после кадра подтверждения:

  •  для кадров длиной до 18 байт включительно – 18 символьных периодов.
  •  для кадров длиной более 18 байт – 40 символьных периодов. Как правило, эти задержки охватываются при подготовке к передаче очередного кадра данных.

Используя приведенные выше расчеты, определим эффективную скорость передачи по стандарту 802.15.4:

Действие

Время (в мс)

CSMA/CA

2,368 мс

Передача кадра

4,256 мс

Задержка после передачи

0,192 мс

Передача подтверждения

0,352 мс

Общее время (TΣ)

7,168 мс

Таблица 2: Временные затраты

Эффективная скорость: Кбит/с.

1.2.6 Расчет энергопотребления и времени работы

Энергопотребление – один из ключевых вопросов для сенсорных сетей, так как устройства питаются в основном от батареек.

Информация о потреблении энергии в различных режимах взята из технического описания микроконтроллеров компании Jennic, производящей готовые модули по стандарту 802.15.4.

Режим

Потребление тока, мА

Активный

12

Режим сна

0,003

Передача

125

Прием

45

Таблица 3: Энергопотребление микроконтроллера фирмы Jennic

Таблица 3 показывает, что сенсор в базовом (активном) режиме потребляет примерно в несколько тысяч раз больше энергии, чем в режиме сна. Отправка сообщений увеличивает энергопотребление по сравнению с базовым режимом. Вполне естественно, что соотношение между показателями может отличаться для разных производителей. Но в любом случае очевидно то, что спящий режим требует наименьшего количества энергии.

Время активности устройства за один раз составлять 16мс. 3мс тратится на передачу собранных данных и столько же тратится на их прием. Время подготовки к передаче данных составляет примерно 2мс. Таким образом, один цикл составляет 24мс.

Теперь необходимо рассчитать сколько раз в секунду будет устройство работать в активном режиме, в режиме приема и в режиме передачи:

1000/24=41 раз. Оставшееся время 16мс устройство будет собирать данные для передачи.

В стандарте 802.15.4 указана максимальная скорость передачи данных 250 Кбит/с. Реальная скорость, которая была рассчитана выше, несколько меньше, поскольку кадры имеют определенный формат, включающий в себя адреса приемника и передатчика и некоторые другие поля. Произведем расчет для обеих скоростей.

Микроконтроллер может погружаться в режим сна при котором ток потребления является минимальным. Данный режим применяется в сенсорах для более длительного срока службы батареи, а, следовательно, и большим временем работы устройства, однако, в нашем случае, устройство не может переходить в режим сна при работе на прием, передачу и при формировании данных. Поэтому расчеты будут производиться исходя из этих трех режимов.

Рассчитаем среднее потребление тока за время t = 1с. Оно будет равно:

мА.

Предположим, для питания сенсорной платы используются две батарейки АА. Емкость каждой батарейки приблизительно равна 2122 мАч. Тогда устройство будет работать в течение:

час или 5 дней и 21 час.

Для рассчитанной скорости получаем:

мА

часа или 4 дня и 7 часов.

Нетрудно заметить, что основная энергия расходуется при передаче данных. Если сделать возможность ухода устройства в спящий режим, то, соответственно, полученное время работы tр будет значительно большим.

Если сравнить время работы данного устройства со временем работы аналогов, то нетрудно заметить, что оно значительно превышает его, и поэтому система, построенная из таких устройств, может стать конкурентоспособной на рынке радиосвязи.

1.2.7 Выводы

Были рассмотрены различные стандарты маломощных беспроводных сетей. Наиболее перспективным является стандарт IEEE 802.15.4-2006. Исходя из спецификаций данного стандарта была определена эффективная скорость передачи данных, потребление тока и время работы устройств при заявленной и рассчитанной скоростях передачи данных.

1.3 Обзор средств моделирования БСС

Среди средств имитационного моделирования отдельных событий и состояний беспроводных сенсорных сетей на базе стандарта IEEE 802.15.4-2006 наибольшее распространение получили следующие среды:

OPNET Modeler (текущая версия 16.0);

OMNET++ (текущая версия 4.1);

NS-2 (текущая версия 2.34).

1.3.1 NS-2 (Network Simulator Version 2)

NS-2 – объектно-ориентированная среда имитационного моделирования дискретных событий и состояний с открытым исходным кодом, которая разработана в рамках проекта VINT. Среда моделирования написана на С++ и TCL. NS-2 использует TCL для генерации сценариев – это позволяет генерировать комплексные сценарии при помощи скриптов.

Изначально NS-2 поддерживал моделирование только статических компьютерных сетей TCP/IP. Однако сейчас мобильные узлы поддерживаются, что позволяет моделировать мобильные сети ad-hoc. Поддерживаются протоколы маршрутизации ad-hoc AODV, DSDV, DSR и TORA, но они требуют доработки для корректной работы с мобильными узлами.

Для NS-2 существует модель, реализующая стандарт IEEE 802.15.4, разработанная Джинлиан Женгом и др. Структура компонентов модели LR-WPAN и основные её функции представлены на рис. 11.

Рис. 11 Структура компонентов модели LR-WPAN NS-2

Следует упомянуть, что в первых версиях модели были реализованы базовые функции сетевого уровня ZigBee, но позднее они были исключены из общего доступа, поскольку не в полной мере соответствовали данному стандарту. В связи с этим на текущий момент можно использовать только существующие в NS-2 протоколы маршрутизации, которые не до конца учитывают особенности беспроводных сенсорных сетей.

Документации по модели явно недостаточно, автор в основном предлагает обращаться к презентации доступной вместе с исходным кодом модели, к списку часто задаваемых вопросов и анализировать исходный код модели.

1.3.2 OPNET Modeler (Optimized Network Engineering Tools)

OPNET Modeler – мощная среда имитационного моделирования дискретных событий и состояний. Она включает множество библиотек сетевых технологий и протоколов связи, таких как TCP/IP, протокол передачи гипертекста (HTTP), технология асинхронного режима передачи (ATM) и FrameRelay, IP-QoS, 802.11 (Wi-Fi), ZigBee и др. Эти библиотеки поставляют блоки для построения моделей сетей. Одним из множества модулей, доступных в OPNET Modeler, является беспроводной модуль. Он расширяет функциональность среды для имитационного моделирования и анализа беспроводных сетей.

В версии OPNET Modeler 14.0 доступны модели узлов ZigBee, разработанные самой компанией OPNET. При этом исходный код модели сетевого уровня и уровня приложений скрыт от пользователей. Доступен только код модели нижнего уровня 802.15.4.

Также существует модель узлов-сенсоров с открытым исходным кодом, соответствующая стандарту IEEE 802.15.4, разработкой, которой занимается сообщество OPEN-ZB. Разные версии данной модели работают с OPNET Modeler 10.5 и выше (таб. 4).

OPEN-ZB модель

Дата выпуска

Версия OPNET

OPNET Simulation Model v 3.0b

20.11.2009

15.0

OPNET Simulation Model v 2.1

31.03.2009

14.5

OPNET Simulation Model v 2.0

22.05.2007

11.5

OPNET Simulation Model v 1.0

06.04.2006

10.5

Таблица 4: Существующие модели OPEN-ZB для OPNET

Модель OPEN-ZB

Модель реализует физический уровень и уровень доступа к среде, и соответствует стандарту IEEE 802.15.4. Версия модели 2.1 поддерживает только топологию звезда, где коммуникации происходят между конечными устройствами через центральное устройство, называемое координатором частной сети.

В модели версии 2.1 существует два типа узлов:

wpan_analyzer_node - узел, который собирает глобальные для частной сети статистические данные;

wpan_sensor_node – узел, который реализует протоколы связи стандарта IEEE 802.15.4-2003

Структура узла-сенсора, использованная в модели, состоит и четырех функциональных блоков (рис. 12):

Физический уровень состоит из радиопередатчика (tx) и приёмника (rx), которые в соответствии со спецификацией IEEE 802.15.4 работают на частоте 2,4 ГГц со скоростью обмена данными 250 Кбит/сек. Мощность передатчика установлена в 1мВт с модуляцией QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Физический уровень реализован при помощи уже существующего в OPNET Modeler беспроводного модуля с указанием параметров, соответствующих стандарту IEEE 802.15.4.

Уровень доступа к среде реализует алгоритм CSMA/CA с фиксированными временными слотами ожидания передачи (slotted CSMA/CA) и механизм гарантированных временных слотов (GTS). GTS трафик (т.е. трафик чувствительный к скорости доставки) приходящий от уровня приложения сохраняется в буфере определенной ёмкости и передается в сеть, когда соответствующий временной слот активен. Нечувствительные к времени доставки кадры данных сохраняются в неограниченном буфере и передаются в сеть в течение периода активной конкуренции, в соответствии с алгоритмом CSMA/CA с фиксированными временными слотами ожидания передачи. Данный уровень также может генерировать кадры маркеры для синхронизации устройств в сети, если узел работает в режиме координатора.

Рис. 12 Модель OPEN-ZB 2.1

Уровень приложения – состоит из двух генераторов трафика (Traffic Source и GTS Traffic Source) и одного получателя (Traffic Sink). Источник обычного трафика (Traffic Source) генерирует кадры данных с флагом подтверждения доставки и без, которые передаются в течение периода конкурентного доступа (CAP). Источник трафика (GTS Traffic Source) с гарантированными временными слотами, может использоваться для создания кадров данных с флагом подтверждения доставки и без, которые чувствительны к задержкам в сети. Модуль получателя принимает кадры от нижних уровней и считает сетевую статистику.

Модуль батареи – вычисляет потребляемый и оставшийся уровень энергии. Значения по умолчанию для модели установлены в соответствии со спецификацией MICAz.

Модель достаточно хорошо документирована, продолжает дорабатываться и поддерживаться. Более подробная характеристика модели приведена в техническом описании.

В недавно вышедшей версии 3.0 (beta) также реализованы следующие функции:

Сетевой уровень ZigBee;

Иерархическая маршрутизация по дереву ZigBee;

Проверка адресов узлов для поддержки адресной схемы дерева кластеров ZigBee.

Встроенная в OPNET модель ZigBee

Встроенная в OPNET Modeler 14.0 реализует не только физический уровень и уровень доступа к среде стандарта IEEE 802.15.4-2006, но и сетевой уровень ZigBee. Модель поддерживает топологии: звезда, дерево, и ячеистая сеть.

Модель содержит три типа узлов в соответствии со спецификацией ZigBee:

Координатор (Coordinator);

Маршрутизатор (Router);

Конечное устройство (End Device).

Структура узла-сенсора, использованная в модели, представлена четырьмя функциональными блоками (рис. 13):

Физический уровень состоит из радио передатчика (wireless_tx) и приёмника (wireless_rx), которые в соответствии со спецификацией IEEE 802.15.4-2006 могут работать на частотах 868МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Физические характеристики сети задаются на координаторе. Мощность передатчика установлена в 5мВт.

Уровень доступа к среде реализует алгоритм CSMA/CA без фиксированных временных слотов ожидания передачи, и часть других функции данного уровня в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4.

Сетевой уровень реализует функции в соответствии со спецификацией ZigBee. Исходный код блока недоступен, поставляется в компилированном виде.

Уровень приложения позволяет генерировать трафик и инициировать поиск и присоединение к сети. Исходный код блока недоступен, поставляется в компилированном виде.

Рис. 13 Встроенная модель OPNET Modeler 14.0

1.3.3 OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed in C++)

OMNeT++ – среда имитационного моделирования дискретных событий и состояний с открытым исходным кодом, основанная на компонентах, которая становится всё более популярной. Основная область применения – моделирование сетей передачи данных, ИТ систем и бизнес процессов. Компоненты OMNeT++ написаны на С++.

На базе среды моделирования OMNeT++ 4.1 построен симулятор различных протоколов беспроводных сенсорных сетей Castalia (текущая версия 3.1). В нём также реализована модель соответствующая стандарту IEEE 802.15.4.

На базе рассматриваемой среды моделирования существуют библиотеки INETMANET и MiXiM, которые позволяют создавать модели беспроводных сенсорных сетей, но на текущий момент готовые модели отсутствуют.

Castalia

Castalia – симулятор сетей с низким энергопотреблением. Особенностью данного симулятора является то, что команда разработчиков ставила перед собой задачу реализовать модели не только уровней передачи данных, но и смоделировать физические процессы, данные о которых собираются в узлах. В результате получается, что беспроводные сенсоры связаны между собой не только беспроводными каналами связи, но и физическим процессом параметры которого они измеряют.

Внутренняя структура узла представлена на рис. 14. Сплошные стрелки обозначают прохождение сообщений между модулями, а пунктирные – интерфейс между ними с вызовом простых функций.

Рис. 14 Внутренняя структура узла

Модель узла представлена следующими модулями:

Модуль управления сенсорами – позволяет генерировать более реальный трафик в БСС, нежели просто использование генераторов пакетов данных, предлагаемых другими моделями.

Модуль приложения чаще всего используется пользователями симулятора для реализации тестируемых алгоритмов. В симуляторе уже существует несколько простейших модулей приложения. Например, приложение оценки пропускной способности сети.

Модуль связи – состоит из трёх уровней:

Сетевой уровень – позволяет реализовать различные алгоритмы маршрутизации в беспроводной сенсорной сети. На текущий момент есть готовые простейшие алгоритмы маршрутизации (например, маршрутизация по дереву).

Уровень управления доступом к середе, в том числе IEEE 802.15.4. В версии 3.1 реализована основная часть задач уровня, описанная в стандарте IEEE 802.15.4-2006.

Физический уровень. Разработчики Castalia уделили особое внимание моделированию физического уровня беспроводного сенсора. В симуляторе уже заданы параметры следующих модулей: Mica2_CC1000 и TelosB_CC2420.

Модуль мобильности - хранит положение остальных узлов в сети и предоставляет данные о положении узла модели радиоканала.

Модуль управления ресурсами управляет различными ресурсами узла и наиболее важным из них – потребляемой энергией.

Модель радиоканала учитывает средние потери при распространении, изменения сигнала во времени, интерференцию. Также есть возможность использовать модель идеального радиоканала.

1.3.4 Выбор средства моделирования

Наиболее перспективными в плане дальнейшей поддержки и развития представляются модели open-zb и Castalia. Особое внимание необходимо обратить на модель Castalia, поскольку команда разработчиков изначально ставила перед собой задачу смоделировать все аспекты работы беспроводных сенсорных сетей, её исходный код является открытым и, что особенно важно, среда моделирования на основе, которой она построена, имеет также открытый исходный код и распространяется бесплатно для некоммерческого использования.

Модель же open-zb, к сожалению, построена на базе очень дорогого коммерческого продукта OPNET Modeler 10.5 и выше, бесплатного только для университетов США.

OPNET

NS-2

OMNET++

OPNET Modeler 14.0

OPEN-ZB 3.0 (beta)

Zheng

Castalia

Задачи физического уровня (IEEE 802.15.4)

Вкл/выкл приемопередатчика

-

+

-

+

Определение энергии в текущем канале

+

+

+

+

Индикация качества соединения для полученных пакетов (LQD)

+

+

+

+

Оценка чистоты канала (CCA) для механизма CSMA-CA

+

+

+

+

Выбор частотного канала

+

-

+

-

Поддержка частотных диапазонов 868/915/2450

+/+/+

-/-/+

+/+/+

+/+/+

Задачи уровня доступа к среде (IEEE 802.15.4)

Координатором

-

+

+

+

Синхронизация маркерами сети

-

+

+

+

Режим работы без маркеров

+

-

+

-

Поддержка ассоциации и дизассоциации с частной сетью (PAN)

+

+

+

+

Поддержка топологий звезда/точка-точка

+/+

+/+

+/+

+/+

Поддержка безопасности устройств

-

-

-

-

Реализация механизма slotted CSMA-CA

-

+

+

+

Реализация механизма unslotted CSMA-CA

+

-

+

-

Управление и поддержка механизма GTS

-

+

-

+

Поддержка надежного соединения между двумя уровнями MAC

+

+

+

+

Режим прямых передач

+

-

+

+

Режим косвенных передач

-

+

+

-

Сетевой уровень

Наличие протоколов маршрутизации

+

+

-

+

Соответствие спецификации ZigBee

+

-

-

+

Дополнительные возможности модели

Мобильность узлов

+

-

-

+

Расчет потребляемой узлами энергии

-

+

-

+

Таблица 5: Основные возможности рассмотренных моделей БСС

Для достижения поставленной цели дипломного проектирования необходимо выбрать средство имитационного моделирования по следующим критериям и определить наиболее подходящее:

NS-2

OPNET Modeler (Open-ZB)

OMNET++ &Castalia

Расчет потребляемой узлами энергии

-

+

+

Определение энергии в текущем канале

+

+

+

Открытый код

+

-

+

Мобильность узлов

-

-

+

Соответствие спецификации ZigBee

-

-

+

Наличие протоколов маршрутизации

-

+

+

Цена

FREE

37000$

FREE

Таблица 6: Выбор наилучшей модели БСС

1.3.5 Выводы

Так как планируется некоммерческое использование средства моделирования, то программный комплекс OPNET Modeler не подходит из-за дороговизны. Network Simulator NS-2 не подходит из-за несоответствия спецификации ZigBee. Программный комплекс OMNET++ и Castalia являются наилучшим вариантом. Базируясь на ОС Linux так же портированы и на OS Windows.

В данном проекте использована версия OMNET++ 4.1 и Castalia 3.1 для OS Linux. Использовалась версия Ubuntu 10.10.

1.4 Моделирование БСС

1.4.1 Программно-графическое представление сети

В графическом редакторе OMNET++ беспроводная сенсорная сеть Castalia представлена следующим образом (в Приложении 1 приведен код, описывающий БСС):

  •  SN - имя сети (используется для моделирования);
  •  wirelessChannel - модуль беспроводного канала;
  •  node[numNodes] - модуль элементов сети;
  •  physicalProcess[numPhysicalProcesses] - модуль физических процессов.

Рис. 15 Структура БСС

Элемент Node описывает каждую рабочую станцию и имеет настраиваемый параметр numNodes, который определяет количество станций в сети.

Каждая станция состоит из следующих модулей (в Приложении 2 приведен код, описывающий модуль Node):

  •  Node - имя сети (используется для моделирования);
  •  Communication - модуль связи;
  •  SensorManager - модуль, описывающий количество датчиков;
  •  ResourceManager - модуль потребляемых ресурсов;
  •  Application - модуль приложений;
  •  MobilityManager - модуль мобильности узлов.

Рис. 16 Модуль Node 

Модуль связи имеет следующую структуру (в Приложении 3 приведен код, описывающий модуль CommunicationModule):

  •  Radio - модуль радиоканала;
  •  MAC - модуль физического уровня;
  •  Routing - модуль маршрутизации.

Рис. 17 Модуль CommunicationModule

Все элементы необходимы для работы и их удаление или изменение может привести к не правильной симуляции сети или к ошибке.

1.4.2 Создание конфигурационного файла

Для моделирования сети необходимо создать файл конфигурации omnetpp.ini:

[General]

network = SN

include ../Parameters/Castalia.ini

sim-time-limit = 3600s

SN.numNodes = 20

SN.node[*].Communication.MACProtocolName = "Mac802154"

SN.node[*].Communication.MAC.isFFD = true

SN.node[0].Communication.MAC.isPANCoordinator = true

SN.node[*].Communication.MAC.phyDataRate = 1024

SN.node[*].Communication.MAC.phyBitsPerSymbol = 2

SN.wirelessChannel.pathLossMapFile = "../Parameters/WirelessChannel/BANmodels/pathLossMap.txt"

SN.wirelessChannel.temporalModelParametersFile = "../Parameters/WirelessChannel/BANmodels/TemporalModel.txt"

SN.node[*].ApplicationName = "ThroughputTest"

SN.node[*].Application.startupDelay = 1

SN.node[*].Communication.Radio.RadioParametersFile = "../Parameters/Radio/BANRadio.txt"

SN.node[*].Communication.Radio.TxOutputPower = "-25dBm"

Файл конфигурации начинается с раздела [General]. В нем указываются общие параметры для всех сценариев (в данном случае используется всего один сценарий). Перед моделированием сети необходимо определить следующие параметры:

  •  количество станций (numNodes);
  •  время симуляции (sim-time-limit);
  •  настройки протокола канального уровня (Communication.MAC);
  •  сервер приложений (Application);
  •  настройки радиоканала (Communication.Radio).

Моделирование будет проводиться для 20 устройств (SN.numNodes = 20) в течении одного часа (sim-time-limit = 3600s). Все устройства используют в качестве протокола канального уровня протокол IEEE 802.15.4 (SN.node[*].Communication.MACProtocolName = "Mac802154"). Для него есть несколько дополнительных параметров:

  •  функциональность устройства (Communication.MAC.isFFD);
  •  кто PAN-координатор (Communication.MAC.isPANCoordinator);
  •  скорость передачи данных (Communication.MAC.phyDataRate);
  •  количество битов в символе (Communication.MAC.phyBitsPerSymbol);

В сети все устройства являются полнофункциональными (SN.node[*].Communication.MAC.isFFD = true), для удобства первую станцию сделаем PAN-координатором (SN.node[0].Communication.MAC.isPANCoordinator = true), скорость передачи данных будет равнять 1024 символа/сек, (SN.node[*].Communication.MAC.phyDataRate = 1024), в одном символе будет передаваться 2 байта информации (SN.node[*].Communication.MAC.phyBitsPerSymbol = 2).

Так же необходимо указать настройки для беспроводного канала (wirelessChannel) (устанавливаются по умолчанию):

SN.wirelessChannel.pathLossMapFile="../Parameters/WirelessChannel/BANmodels/pathLossMap.txt"

SN.wirelessChannel.temporalModelParametersFile="../Parameters/WirelessChannel/BANmodels/TemporalModel.txt".

Сервер приложений определяет пропускную способность канала (SN.node[*].ApplicationName = "ThroughputTest") и задержку перед отправкой пакета (SN.node[*].Application.startupDelay = 1) (в секундах).

Для радиоприемопередатчика устанавливается файл входных данных по умолчанию (SN.node[*].Communication.Radio.RadioParametersFile = "../Parameters/Radio/BANRadio.txt") и мощность передатчика устанавливается в -25 dB (SN.node[*].Communication.Radio.TxOutputPower = "-25dBm") (умолчание для беспроводных маломощных сетей).

1.4.3 Моделирование сети

Для моделирования сети в терминале вводим команду:

alex@alex:~$ cd omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl

для перехода в директорию, содержащую файл конфигурации omnetpp.ini.

Следующая команда отображает все доступные сценарии:

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ Castalia

List of available input files and configurations:

* omnetpp.ini

 General

В данном случае это сценарий General. Для моделирования сети запускаем его (все данные моделирования будут записаны в выходной файл gen.txt):

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ Castalia -c [General] -o gen.txt

Running configuration 1/1

В графическом режиме топология сети будет выглядеть следующим образом:

Рис. 18 Топология сети

Для просмотра собранной статистики запускаем скрипт CastaliaResults (статистика отразится в файле gen.txt):

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ CastaliaResults -i gen.txt

Module

Output

Dimensions

Communication.MAC

Fraction of time without PAN connection

19x1(3)

Number of beacons received

19x1

Number of beacons sent

1x1

Communication.Radio

RX pkt breakdown

20x1(5)

TXed pkts

20x1

ResourceManager

Consumed Energy

20x1

wirelessChannel

Fade depth distribution

1x1(14)

Таблица 7: Статистика сети

Статистика в сети собирается для каждой станции по следующим модулям:

  •  модуль канального уровня (Communication.MAC);
  •  модуль радиоприемопередатчика (Communication.Radio);
  •  модуль потребляемых ресурсов (ResourceManager);
  •  модуль беспроводного канала (wirelessChannel).

Для модуля канального уровня определены следующие параметры:

  •  время без соединения с PAN-координатором (Fraction of time without PAN connection) (в секундах);
  •  количество принятых маяков (Number of beacons received);
  •  количество переданных маяков (Number of beacons sent).

В модуле радиоприемопередатчика используются два параметра:

  •  статистика Rx пакетов;
  •  статистика Tx пакетов.

Модуль потребляемых ресурсов показывает количество затраченной каждой станцией энергии (в мАч).

Модуль беспроводного канала отображает степень затухания сигнала в зависимости от частоты несущего сигнала.

Смоделировав сеть, перейдем к рассмотрению энергопотребления каждой из станций. Для просмотра статистики вводим в терминале следующую команду:

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ CastaliaResults -i gen.txt -s energy -n

ResourceManager:Consumed Energy

node=0

32,756

node=10

24,632

node=1

24,991

node=11

24,632

node=2

24,565

node=12

24,631

node=3

26,5

node=13

24,632

node=4

24,589

node=14

24,632

node=5

25,772

node=15

24,631

node=6

24,632

node=16

24,632

node=7

24,632

node=17

24,632

node=8

24,632

node=18

24,631

node=9

24,631

node=19

24,632

Таблица 8: Энергопотребление в час

Для удобства представим полученные данные графически:

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ CastaliaResults -i gen.txt -s energy -n | CastaliaPlot -o energy.jpg -s histogram

Рис. 19 Энергопотребление

Рассчитаем максимальное время работы каждого устройства.

Для подсчета энергопотребления Castalia использует данные с сайта [http://www.allaboutbatteries.com/Energy-tables.html]: одна батарейка AA имеет емкость 2122 мАч. Следовательно, максимальное время работы (в часах), при использовании двух батареек AA, каждой станции составляет:

node=0

130

node=10

172

node=1

170

node=11

172

node=2

173

node=12

172

node=3

160

node=13

172

node=4

173

node=14

172

node=5

165

node=15

172

node=6

172

node=16

172

node=7

172

node=17

172

node=8

172

node=18

172

node=9

172

node=19

172

Таблица 9: Максимальное время работы


Работа скрипта Castalia     Работа скриптов CastaliaResults и CastaliaPlot

Рис. 20 Структура работы системы


1.4.4 Выводы

Из таблицы 9 видно что максимальное время работы некоторых устройств составляет 173 часа, а минимальное - 130 часов.

130 часов это максимальное время работы PAN-координатора, когда это устройство закончит работать, работоспособность сети прекратится. Для обеспечения полной функциональности сети необходимо заменять батарейки во всех устройствах через 130 часов.

1.5 Расчет надежности системы

Для разрабатываемого программного обеспечения необходимо определение следующих свойств:

  •  завершенность;
  •  устойчивость;
  •  восстанавливаемость;
  •  доступность или готовность.

1.5.1 Завершенность

Завершенность – свойство программного обеспечения (ПО) не попадать в состояния отказов вследствие ошибок и дефектов в программах и данных. Данное свойство ПО определяется через такие показатели как наработка на ошибку и степень покрытия ПО тестами функций и структуры программы.

1. Среднее время наработки на ошибку.

Средняя наработка на ошибку рассчитывается следующим образом:

,

где λПО – интенсивность ошибок программного обеспечения.

Интенсивность ошибок разрабатываемого программного обеспечения рассчитывается по формулам:

,

,

где t – фактическое время отладки;

α – коэффициент крутизны линии, характеризующий скорость роста надежности;

N0 – число обнаруженных ошибок за время отладки t;

N – общее число строк;

КТП – коэффициент, учитывающий влияние методологии программирования на надежность ПО;

КТПi – коэффициент, учитывающий использование i–ой технологии программирования;

КЯЗi – коэффициент, учитывающий использование i–ого языка программирования;

КПЛi– коэффициент, учитывающий использование i–ой платформы программирования.

В данном программном обеспечении использована объектно-ориентированная технология программирования () в Castalia (поскольку Castalia базируется на языке C++, то ) на 32-разрядной платформе (для платформ, не являющихся .NET, ).

Исходное число строк кода N=11341.

Отладка программного обеспечения производилась с помощью тестирования в течение 8 часов. Результаты тестирования представлены в таблице 10.

Число ошибок

Время отладки t, часы

Интенсивность ошибок, λ0 1/ час

35

8

0,00023

17

8

0,00011

6

8

0,00004

3

8

0,00002

2

8

0,00001

1

8

0,00001

1

8

0,00001

0

8

0,00000

Таблица 10: Результаты тестирования ПО

На основе полученных данных можно построить кривую зависимости интенсивности ошибок от времени отладки (рис. 21).

Рис. 21 Зависимость интенсивности ошибок от времени отладки

Как показано выше, функциональная зависимость интенсивности ошибок ПО от времени отладки описывается экспоненциальным законом и зависит от коэффициента крутизны линии, характеризующей скорость роста надежности α, и от фактического времени отладки ПО. Анализ результатов тестирования ПО позволил определить α = 0,0133.

Таким образом, интенсивность ошибок разрабатываемого ПО составляет:

(1/час)

(1/час)

Для разрабатываемого программного обеспечения средняя наработка на ошибку составит 2587 часа.

2. Степень покрытия тестами функций и структуры программы.

Существуют три типа покрытия, для каждого из которых требуется различное число тестовых примеров:

  •  покрытие утверждений;
  •  покрытие ветвей;
  •  покрытие условий.

Покрытие утверждений. Здесь нужно следить затем, выполнялась ли каждая строка кода, по крайней мере, один раз. Чтобы достичь 100%-го покрытия утверждений, понадобится выполнить утверждение IF, причем оно должно принять значение TRUE для выполнения соответствующего требования THEN.

Покрытие ветвей. Здесь нужно следить затем, была ли взята каждая ветвь или точка принятия решения при всех возможных исходах. Чтобы покрытие было100%-м, требуется два прохода через условие IF, когда при одном проходе оно принимает значение TRUE, а при другом – FALSE. Каждый цикл DO–WHILE также должен быть выполнен при условиях TRUE и FALSE. Для утверждений CASE или SWITCH требуются тестовые примеры, которые будут брать все возможные ветки, включая заданные по умолчанию пути.

Покрытие условий. Оно известно также как покрытие предикатов и следит затем, принимает ли каждый операнд в комплексных логических выражениях значения FALSE/TRUE. Комплексные логические выражения содержат операторы AND, OR и XOR.

Каждый из этих типов покрытия содержит в себе более низкие уровни. Достижение 100%-го покрытия ветвей означает 100%-ное покрытие утверждений. Аналогично достижение 100%-го покрытия условий автоматически приводит к удовлетворению 100%-го покрытия ветвей.

На основе тестирования были получены следующие коэффициенты:

1. Коэффициент полноты:

,

где Р – степень покрытия тестами в процентах.

.

2. Коэффициент достоверности:

,

где Nпр – число прогонов;

Nош – число ошибок, обнаруженных во время данных прогонов.

.

1.5.2 Устойчивость

Устойчивость к дефектам и ошибкам – свойство ПО автоматически поддерживать заданный уровень качества функционирования при проявлениях дефектов и ошибок или нарушениях установленного интерфейса.

Появление дефектов, ошибок или нарушение интерфейса в данной системе может возникнуть только из-за сбоя технических средств. Поскольку вся вводимая пользователем информация проверяется на соответствие необходимому типу данных, то есть устойчивость программы обеспечивается за счет алгоритма.

Для выявления дефектов вследствие сбоя технических средств в системе присутствует возможность осуществлять контроль над входными, промежуточными и конечными данными. Таким образом, любое несоответствие данных действительности будет обнаружено оператором.

1.5.3 Восстанавливаемость

Восстанавливаемость – свойство ПО в случае отказа возобновлять требуемый уровень качества функционирования, а также поврежденные программы и данные.

В случае отказа, чтобы разрабатываемая система соответствовала требуемому уровню качества функционирования, данную систему необходимо запустить заново, что составляет 0,5 минут. Однако при этом данные, обрабатываемые системой на момент отказа, будут потеряны, и работу с программой нужно начинать сначала. Данное свойство ПО основано на временной избыточности.

1.5.4 Готовность

Доступность или готовность – свойство ПО быть в состоянии выполнять требуемую функцию в данный момент времени при заданных условиях использования.

Коэффициент готовности рассчитывается по формуле:

,

где То – средняя наработка на ошибку (2587 часов),

Тв – время восстановления программы (0,5 минуты=0,0083 часа).

Таким образом, коэффициент готовности разрабатываемой системы:

.


2. Технологическая часть

Castalia - это система, включающая в себя набор элементов и библиотек для моделирования беспроводных сенсорных сетей, написанных на C-подобном языке, и использующая программный пакет OMNET++ в качестве основы для моделирования событий.

OMNET++ является объектно-ориентированным модульным дискретно-событийным средством для моделирования сетей. С его помощью возможно:

  •  моделировать проводные и беспроводные сети;
  •  моделировать сети массового обслуживания;
  •  моделировать многопроцессорные и другие аппаратно-распределенные системы;
  •  оценивать производительность сложных программных систем.

2.1 Выбор ОС

OMNET++ изначально создавался для работы в среде Linux (поддерживаются дистрибутивы Ubuntu 8.04 и старше, Fedora Core 13, Red Hat Enterprise Desktop Workstation 5.5 и OpenSUSE 11.2). Так же существуют версии для Windows, Mac OS X и Unix.

Castalia разрабатывалась только для Linux-подобных систем, так как для моделирования сетей применяются скрипты, написанные на языке Python (встроенный язык интерпретатора). При использовании Castalia на других ОС необходимо предварительно установить на персональный компьютер Python и внести необходимые изменения в скрипты. Исходя из этого, для работы с OMNET++ и Castalia была выбрана OS Linux. На данный момент стабильной версией Linux является Ubuntu 10.10.

2.2 Установка и настройка

Для корректной работы OMNET++ и Castalia необходимо учесть следующие требования к системе:

2.2.1. Оборудование

На диске должны быть свободными минимум 400 МБайт, для выходных файлов моделирования потребуется дополнительное место. Минимальная оперативная память 512 МБайт, рекомендуемая память 1ГБайт.

2.2.2. Загрузка программного обеспечения

OMNET++ можно скачать по следующим ссылкам:

для Linux и MAC OS: http://omnetpp.org/download/release/omnetpp-4.1-src.tgz

для Windows: http://omnetpp.org/download/release/omnetpp-4.1-src-windows.zip

Castalia можно скачать по ссылке:

http://castalia.npc.nicta.com.au/download.php

Необходимо заполнить форму (указать почтовый адрес, подтвердить его и принять пользовательское соглашение) и нажать кнопку Continue. В новой странице необходимо нажать на кнопку Download Castalia.

2.2.3. Установка и настройка программного обеспечения

Для установки OMNET++ необходимо скопировать архив omnetpp-4.1-src.tgz в домашний каталог /home/<you>. В меню выбрать Приложения > Стандартные > Терминал (Applications > Accessories > Terminal). В появившемся окне ввести команду:

$ tar xvfz omnetpp-4.1-src.tgz

она создает директорию omnetpp-4.1 с установочными файлами OMNET++.

Перед началом установки OMNET++ необходимо обновить базу данных доступных системных пакетов Linux. Вводим команду:

$ sudo apt-get update

Для корректной работы OMNET++ необходимо установить следующие пакеты. Вводим команду:

$ sudo apt-get install build-essential gcc g++ bison flex perl \

tcl-dev tk-dev blt libxml2-dev zlib1g-dev openjdk-6-jre \

doxygen graphviz openmpi-bin libopenmpi-dev libpcap-dev

На появившейся вопрос (Хотите продолжить? [Д/н]/Do you want to continue? [Y/N]), отвечаем: Y.

Рис. 22 Установка пакетов

Так же можно произвести установку файлов через графический менеджер пакетов Synaptic. В меню выбираем Система > Администрирование > Менеджер пакетов Synaptic (System > Administration > Synaptic package manager), в появившемся окне необходимо найти и поставить галочку напротив следующих пакетов:

build-essential, gcc, g++, bison, flex, perl, tcl-dev, tk-dev, blt, libxml2-dev, zlib1gdev, openjdk-6-jre, doxygen, graphviz, openmpi-bin, libopenmpi-dev, libpcap-dev.

Рис. 23 Установка пакетов в графическом режиме

После выбора всех пакетов нажимаем кнопку Применить (Apply). В появившемся окне Внести следующие изменения? (Apply the following changes?) снова нажимаем Применить (Apply). Дожидаемся, пока установятся все пакеты, и нажимаем клавишу Закрыть (Close).

Для корректной установки OMNET++ необходимо подключить библиотеку TCL/TK и указать путь к каталогу bin в директории omnetpp-4.1 в конфигурационном файле операционной системы. Вводим команду:

$ gedit ~/.profile

и добавляем в конец открывшегося файла строчки:

export PATH=$PATH:/home/<you>/omnetpp-4.1/bin

export TCL_LIBRARY=/usr/share/tcltk/tcl8.4

После внесенных изменений необходимо перезагрузить операционную систему.

Для определения всех файлов OMNET++ необходимо ввести в терминале следующие команды:

$ cd omnetpp-4.1

$ . setenv

Этот скрипт проверяет наличие всех установочных файлов и их целостность.

Для установки OMNET++ вводим команду:

$ ./configure

Рис. 24 Установка OMNET++

После завершения установки необходимо скомпилировать OMNET++. Вводим команду:

$ make

Рис. 25 Компиляция установочных файлов OMNET++

Для запуска OMNET++ вводим в терминале команду:

$ omnetpp

Рис. 26 Рабочее окно OMNET++

Для установки Castalia необходимо скопировать архив Castalia-3.1.tar в домашний каталог /home/<you>. В меню выбираем Приложения > Стандартные > Терминал (Applications > Accessories > Terminal). В появившемся окне вводим команду:

$ tar xvfz Castalia-3.1.tar

она создает директорию Castalia-3.1 с установочными файлами Castalia.

Для корректной установки и запуска Castalia необходимо в конфигурационном файле операционной системы указать путь к каталогу bin в директории Castalia-3.1. Вводим команду:

$ gedit ~/.profile

и добавляем в конец открывшегося файла строчку:

export PATH=$PATH:/home/<you>/Castalia-3.1/bin

После внесенных изменений необходимо перезагрузить операционную систему.

Для установки Castalia вводим команды:

$ cd Castalia-3.1

$ ./makemake

Рис. 27 Установка Castalia

После завершения установки необходимо скомпилировать Castalia. Вводим команду:

$ make

Рис. 28 Компиляция установочных файлов Castalia

Для корректной работы Castalia необходимо установить пакет gnuplot. Для этого вводим в терминале команду:

$ sudo apt-get install gnuplot

Так же можно произвести установку данного приложения через графический менеджер пакетов Synaptic.

Установка и настройка программного обеспечения завершена.

2.2.4 Проверка работоспособности установленного ПО

Для проверки работоспособности установленного ПО вводим в терминале команды:

$ cd omnetpp-4.1/samples/dyna

$ ./dyna

По умолчанию симуляции выполняются с использованием графической среды Tcl/Tk. При корректном функционировании системы должен появиться диалогово-оконный интерфейс.

Рис. 29 Моделирование в графическом режиме

Если необходимо перекомпилировать OMNET++, следует ввести следующие команды:

$ cd omnetpp-4.1

$ ./configure

$ make cleanall

$ make

Если ли же нужно перекомпилировать только одну библиотеку, необходимо перейти в каталог с этой библиотекой (например cd src/sim) и ввести:

$ make clean

$ make

Для проверки работоспособности Castalia в терминале вводим следующие команды:

$ cd Castalia-3.1/Simulations/radioTest

$ Castalia

Этот скрипт выводит на экран список всех доступных конфигурационных файлов и симуляций:

List of available input files and configurations:

* omnetpp.ini

General

InterferenceTest1

InterferenceTest2

CSinterruptTest

varyInterferenceModel

Для симуляции и просмотра данных вводим команды:

$ Castalia -c [General] -o sim.txt

Running configuration 1/1

$ CastaliaResults -i sim.txt

+----------------------+----------------------------------+------------+

|             Module   |                          Output  | Dimensions |

+----------------------+----------------------------------+------------+

|       Application    | Application level latency, in ms | 1x1(11)    |

|                      |        Packets received per node | 1x2        |

| Communication.Radio  |                 RX pkt breakdown | 1x1(3)     |

|                      |                        TXed pkts | 2x1        |

|    ResourceManager   |                  Consumed Energy | 3x1        |

+----------------------+----------------------------------+------------+

NOTE: select from the available outputs using the -s option

Просмотрим сколько энергии затратила каждая станция по отдельности:

$ CastaliaResults -i sim.txt -s energy -n

ResourceManager:Consumed Energy

+--------+--------+--------+

| node=0 | node=1 | node=2 |

+--------+--------+--------+

| 6.8    | 6.288  | 6.288  |

+--------+--------+--------+

Выведем значение таблицы в файл:

$ CastaliaResults -i sim.txt -s energy -n | CastaliaPlot -o energy.jpg -s histogram

Рис. 30 Количество потраченной энергии (в мАч)

Установленное программное обеспечение функционирует корректно.

2.2.5 Структура каталогов OMNET++ и Castalia

Корневой каталог OMNET++ содержит:

  •  bin/ - каталог, содержащий исполняющие файлы OMNET++
  •  contrib/ - каталог для файлов стороннего ПО для OMNET++
  •  doc/ - каталог, содержащий файл пользовательского руководства
  •  ide/ - каталог, содержащий файлы OMNET++ для различных платформ
  •  images/ - каталог, содержащий иконки для графического редактора
  •  include/ - каталог, содержащий файлы библиотек для сетей
  •  lib/ - каталог, содержащий файлы библиотек для OMNET++
  •  migrate/ - каталог, содержащий скрипты для преобразования файлов версии 3.x для 4.x
  •  out/ - каталог, содержащий файлы компиляции OMNET++
  •  samples/ - каталог простых симуляций
  •  src/ - каталог, содержащий файлы, необходимые для работы OMNET++
  •  test/ - каталог, содержащий набор тестов для OMNET++
  •  config.log, config.status, configure, configure.in, configure.user, Makefile, Makefile.inc, Makefile.inc.in, setenv - файлы конфигурации, необходимые для установки и компилирования OMNET++
  •  INSTALL - файл, содержащий инструкции по установке
  •  MIGRATION - файл, содержащий инструкции о преобразовании моделей OMNET++ 3.x в 4.x
  •  README - файл, содержащий информацию об OMNET++
  •  Version - файл, содержащий информацию о текущей версии

Корневой каталог Castalia содержит:

  •  bin/ - каталог, содержащий скрипты Castalia and CastaliaResults
  •  config/ - каталог, содержащий конфигурационные файлы (создается скриптом makemake, удаляется после завершения работы скрипта)
  •  out/ - каталог, содержащий все промежуточные файлы, а также исполняемые файлы Castalia при компилировании сети
  •  Simulations/ - каталог, содержащий файлы конфигурации для моделирования
  •  src/ - содержит исполняющие файлы Castalia (*.cc, *.h, *.msg, *.ned files). Структура каталога соответствует структуре соединения модулей и подмодулей
  •  Makefile - файл, создающийся после выполнения скрипта makemake
  •  makemake - скрипт, генерирующий соответствующие файлы установки. Используется инструментом opp_makemake в OMNET++
  •  CastaliaBin - исполняемый файл Castalia (находится в out/gcc-debug/CastaliaBin)
  •  CHANGES.txt - история внесенных изменений
  •  LICENSE - файл лицензии (в виде текста)
  •  VERSION - файл, содержащий информацию о текущей версии

2.2.6 Число пользователей

Обе программы предназначены для некоммерческого использования и распространяются абсолютно бесплатно, что не ограничивает количество пользователей, которые могут их использовать.


3. Экономическая часть

3.1 План производства

Себестоимость продукта включает в себя следующие составляющие:

  •  заработную плату Zn;
  •  налоговые отчисления Na (складываются из НДС N1, страховых взносов N2 и налога на прибыль N3)
  •  накладные расходы на производство Nr;
  •  прибыль Pr.

Для вычисления себестоимости рассмотрим каждую составляющую по отдельности.

Работа, предусмотренная выполнением производственного заказа, носит инженерный характер и предусматривает работу пользователя с системами автоматизированного проектирования, установленными на персональном компьютере. Полный цикл производства выполняется одним сотрудником, имеющим квалификацию и опыт по проведению всех стадий разработки. Это позволяет упростить передачу проектной документации с одной стадии на другую и позволяет улучшить результаты предыдущих этапов проектирования.

Весь проект выполняется в течение 3 месяцев. Учитывая необходимую квалификацию инженера, заработная плата оценивается в 18000 руб/месяц. Суммарные расходы на заработную плату составляют: .

Страховые взносы в Российской Федерации складываются из пенсионного фонда РФ (26%), фонда социального страхования РФ (2,9%), федерального фонда обязательного медицинского страхования (2,1%), территориальных фондов обязательных медицинских страхований (3%) и составляют 34% от заработной платы. Сумма страховых взносов составит: .

Стоимости оборудования составляется исходя из стоимости персонального компьютера, монитора, мыши, клавиатуры, принтеры, ИБП и амортизационных отчислений с вычислительной техники. Суммарная стоимость оборудования составляет 45000 рублей (с бумагой и картриджем для принтера). Амортизационные отчисления с вычислительной техники осуществляются в размере 33% ежегодно. За 3 месяца, в течение которых выполняется работа, амортизационные отчисления составят 3548 рублей. Итого стоимость оборудования составляет 48548 рублей.

Накладные расходы на производство складываются из стоимости и прокладки проводки, аренды помещения, оплаты ЖКУ, оплаты телефона и Internet, оплаты проездного билета. Стоимость проводки и ее монтажа составляет 5000 рублей. Оплата телефона и Internet составляет 2000 рублей. Согласно эргономическим требованиям к организации рабочих мест, площадь, выделяемая на одно рабочее место, должна составлять не менее 6 м2. Исходя из стоимости аренды 1 м2 площади 800 руб/месяц (с коммунальными услугами и охранником) получаем, что стоимость аренды помещения для одного рабочего места за 3 месяца равняется 14400 рублей. Так же 2000 рублей ежемесячно идет на зарплату уборщице и оплата проездного билета 1100 рублей. Итого стоимость оборудования составляет 24500 рублей.

3.2 План рисков

Данный проект сопряжен с несколькими факторами риска, которые могут осложнить разработку или свести на нет доход, полученный от ее осуществления. Можно отметить следующие факторы риска:

  •  нестабильность экономического и налогового законодательства и текущей экономической ситуации;
  •  неопределенность политической ситуации, риск неблагоприятных социально-экономических изменений в стране или регионе;
  •  неполнота или неточность информации о технико-экономических показателях, параметрах используемой техники и технологии;
  •  колебания рыночной конъюнктуры, цен, валютных курсов и т.п.;
  •  неопределенность природно-климатических условий, возможность стихийных бедствий и экологических катастроф;
  •  производственно-технологический риск (отказы оборудования, перебои с электроснабжением);
  •  неопределенность целей, интересов и поведения участников.
  •  неполнота и неточность информации о финансовом положении и деловой репутации заказчика.

Ввиду специфики дипломного проектирования и небольшого объема работы считаем перечисленные риски маловероятными.

3.3 Финансовый план и финансовая стратегия

Уравнение баланса предприятия за рассматриваемый период имеет вид:

.

где n – количество реализованных единиц продукции (n = 1);

Cp – стоимость реализации единицы продукции;

Ck – стоимость комплектации единицы продукции (Ck = 0);

Zn – заработная плата сотрудников (Zn = 54000 руб);

Nr – накладные расходы;

Nr` – страховые платежи, отчисления процентов за кредит (Nr` = 0);

N1 – налог на добавленную стоимость;

N2 –страховые взносы (N2 = 18360 руб);

N3 – налог на прибыль;

Pr – чистая прибыль.

Сумма налога на добавленную стоимость вычисляется как 18% от разности между стоимостью реализации и стоимостью комплектации продукции:

.

Сумма налога на прибыль вычисляется исходя из ставки 20%, установленной для малых предприятий:

, где Vp– валовая прибыль предприятия.

Валовая прибыль рассчитывается по формуле:

, где Dr – доход от реализации продукции.

Значение чистой прибыли вычисляется из значения валовой прибыли с вычетом налога на прибыль:

.

Рентабельность производства Р вычисляется как отношение валовой прибыли к себестоимости продукта:

=>.

Подставим все значения в исходное уравнение:


Категории расходов

Значение

1

Заработная плата

54000 руб

2

Накладные расходы

24500 руб

3

Оборудование и комплектующие

48548 руб

4

НДС

27640 руб

5

Страховые взносы (34% от з/п)

18360 руб

6

Налог на прибыль

5812 руб

7

Рентабельность

30%

Итого:

178860 руб

Таблица 11: Таблица экономических параметров

Ниже представлена диаграмма, характеризующая экономические параметры работы:

Рис. 31 Диаграмма экономических параметров

3.4 Выводы

При данных показателях производство можно считать рентабельным.


4. Охрана труда

4.1 Введение

Охрана труда – это система обеспечения безопасности жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия.

Любой производственный процесс, в том числе работа с ЭВМ, связан с появлением опасных и вредных факторов.

Опасным производственным фактором является такой фактор производственного процесса, воздействие которого на работающего приводит к травме или резкому ухудшению здоровья.

Вредные производственные факторы – это неблагоприятные факторы трудового процесса или условий окружающей среды, которые могут оказать вредное воздействие на здоровье и работоспособность человека. Длительное воздействие на человека вредного производственного фактора приводит к заболеванию.

Негативные факторы трудового процесса приводят к снижению трудоспособности и ухудшению качества выпускаемой продукции. Длительное воздействие неблагоприятных условий труда может привести к нарушению здоровья работающего, развитию профессионального заболевания или инвалидности.

Задачей охраны труда является гарантирование безопасных и здоровых условий труда и поддержание трудоспособности рабочих. Безопасными условиями труда считаются такие условия, при которых воздействие на работников вредных или опасных производственных факторов исключено, либо уровни их воздействия не превышают установленные нормативы.

4.2 Исследование опасных и вредных факторов при работе с ЭВМ

В данной дипломной работе были использованы следующие основные элементы вычислительной техники:

  1.  Персональный компьютер HP Desctop на базе процессора AMD Athlon II x4 635:
  •  частота – 2900 Гц;
  •  оперативная память – 4Гб;
  •  жесткий диск – 750Гб;
  •  привод компакт-дисков Sony-Nec DVD.
  •  потребляемая мощность – 590 Вт
  1.  18,5" Монитор SAMSUNG SyncMaster 943SN:
    •  потребляемая мощность – 20Вт (в работе), 1 Вт (в спящем режиме)
    •  горизонтальная частота развертки – 31 - 80 КГц;
    •  вертикальная частота развертки – 50 - 75 Гц;
    •  рекомендуемое разрешение – 1360 x 768 при 60Гц;
    •  максимальное разрешение – 1360 x 768 при 60Гц.

При использовании указанных элементов вычислительной техники могут возникнуть опасные и вредные факторы.

1. Безопасным для человека считается напряжение менее 40В. Персональный компьютер питается от двухфазной сети переменного тока с частотой 50Гц и напряжением 220В. Это напряжение является опасным для человека, поскольку прикосновение к токоведущим частям может привести к поражению электрическим током, что обуславливает появление опасного фактора - поражение электрическим током.

Воздействие электрического тока на человека может носить следующий характер:

  •  термический – нагрев тканей;
  •  электролитический – влияние на состав крови;
  •  биологический – раздражение нервных окончаний тканей, судорожное сокращение мышц;
  •  механический – разрыв тканей, получение ушибов, вывихов.

При поражении электрическим током человек может получить травмы следующего вида:

  1.  Общие повреждения – электроудары.

Различают электроудары четырех степеней сложности:

  •  первая степень: судорожное болезненное сокращение мышц без потери сознания;
    •  вторая степень: судорожное болезненное сокращение мышц, сопровождающееся потерей сознания, но с сохранением дыхания и сердцебиения;
    •  третья степень: судорожное сокращение мышц, потеря сознания, нарушение работы сердца или дыхания (либо и то, и другое вместе);
    •  четвертая степень: наступление клинической смерти, т.е. прекращение дыхания и кровообращения.
  1.  Местные повреждения – ожоги, металлизация кожи, электрические знаки, уплотнение кожи, электроофтальмия, механические повреждения.

2. При работе за экраном монитора человек попадает под воздействие излучения электромагнитных полей кадровой и строчной разверток на малых частотах, что вызывает появление вредного фактора – излучение электромагнитных полей низкой частоты. Данный вредный фактор влияет на человека следующим образом:

  •  может вызвать обострение некоторых кожных заболеваний: угревой сыпи, себороидной экземы, розового лишая, рака кожи и др.;
  •  воздействие на метаболизм может вызвать изменение биохимической реакции крови на клеточном уровне, что ведет стрессу;
  •  может возникнуть нарушение в протекании беременности;
  •  способствует увеличению возможности выкидыша у беременных в два раза;
  •  способствует нарушению репродуктивной функции и возникновению злокачественных образований;
  •  способствует нарушению терморегуляции организма;
  •  способствует изменениям в нервной системе (потере порога чувствительности);
  •  может привести к понижению/повышения артериального давления;
  •  может привести к функциональным нарушениям сердечно-сосудистой и центральной нервной систем человека.

Результатом длительного нахождения в мощном ореоле низкочастотных электрических полей могут стать головные боли и нарушение визуального восприятия изображения на экране после нескольких часов работы на компьютере.

3. При работе за экраном дисплея пользователь попадает под воздействие ультрафиолетового излучения (УФИ). Это электромагнитное излучение в области, которая примыкает к коротким волнам и лежит в диапазоне длин волн ~ 200 – 400 нм. При повышении плотности данного излучения, оно становиться для человека вредным фактором. Его воздействие особенно сказывается при длительной работе с компьютером. Необходимо учитывать, что человек подвергается суммарному воздействию:

  •  УФИ, испускаемого монитором;
  •  УФИ, излучаемого люминесцентными лампами;
  •  УФИ, проникающего сквозь оконные проемы.

Такая совокупность излучения может превысить нормируемую плотность УФИ, равную 10 Вт/м2.

На человека малые дозы УФИ оказывают благотворное действие — способствуют образованию витаминов группы D, улучшают иммунобиологические свойства организма. Однако превышение нормируемой плотности может иметь следующие негативные последствия:

  •  могут обостряться некоторые заболевания кожи: угревая сыпь, себороидная экзема, розовый лишай, рак кожи и др.;
  •  нарушение режима терморегуляции организма;
  •  изменения в нервной системе (потеря порога чувствительности);
  •  понижение/повышение артериального давления.

При длительном воздействии и больших дозах могут быть следующие последствия:

  •  серьезные повреждения глаз (катаракта);
  •  рак кожи;
  •  кожно-биологический эффект: гибель клеток, мутация, канцерогенные накопления;
  •  фототоксичные реакции.

4. При напряжении на аноде электронно-лучевой трубки 3 – 500кВ присутствует рентгеновское излучение различной жесткости. Поскольку анод электронно-лучевой трубки дисплея имеет напряжение свыше 15кВ, оператор попадает в зону мягкого рентгеновского излучения. Таким образом, появляется вредный фактор – рентгеновское излучение. Суть опасности данного вредного фактора состоит в следующем:

  •  происходит образование чужеродных соединений молекул белка, обладающих даже токсическими свойствами;
  •  происходит изменение внутренней структуры веществ в организме, приводящее к развитию малокровия, к образованию злокачественных опухолей, катаракты глаз.

5. Во время работы на персональных ЭВМ при прикосновении к любому из элементов оборудования могут возникнуть разрядные токи статического электричества. Вследствие этого происходит электризация пыли и мелких частиц, которые притягивается к экрану. Собравшаяся на экране электризованная пыль ухудшает видимость, а при повышении подвижности воздуха в помещении более 0,2 м/с, попадает на лицо и в легкие человека, вызывая заболевания кожи и дыхательных путей. Статическое электричество при превышении нормированного значения 15 кВ/м становится вредным фактором.

Особенно электростатический эффект наблюдается у компьютеров, которые находятся в помещении с полами, покрытыми синтетическими коврами.

При повышении напряженности поля Е>15 кВ/м, статическое электричество может привести к выходу компьютера из строя, замыканию клавиатуры и потере информации на экране, так как изделия в вычислительной техники питаются U=3-12 В.

6. К вредным факторам при работе за компьютером можно также отнести блики и мерцание экрана из-за низкой частоты вертикального обновления или из-за низкого качества развертки монитора. Экспериментальные данные показывают, что вышеуказанные факторы способствуют возникновению:

  •  близорукости и переутомлению глаз;
  •  мигрени и головной боли;
  •  раздражительности, нервному напряжению и стрессу.

4.3 Методы защиты пользователей от опасных и вредных факторов

Для защиты от напряжения прикосновения используется защитное зануление. Занулением называется преднамеренное соединение нетоковедущих частей с нулевым защитным проводником (рис. 32). Оно применяется в трехфазных, четырехфазных сетях с глухо заземленной нейтралью в установках до 1000 вольт и является основным средством обеспечения электробезопасности.

Защита человека от поражения электротоком в сетях с заземлением осуществляется тем, что при замыкании одной из фаз на зануленный элемент машины в цепи этой фазы возникает ток короткого замыкания, который вызывает перегорание предохранителя (автомата) в оборудовании, в результате чего происходит отключение аварийного участка от сети.

Рис 32 Зануление

Расчет возможной величины тока короткого замыкания производится на основе следующих данных:

  1.  В качестве нейтральной электропроводки (НЭП) используются три провода, параметры которых приведены в таблице 12.

Провод

Длина, м

Площадь

сечения, мм2

Материал

l1

570

10

медь

l2

63

3

алюминий

l3

20

2

медь

Таблица 12: Показатели НЭП

  1.  Коэффициент, учитывающий тип защитного устройства: k=3.
  2.  Фазовое напряжение: U=220В.
  3.  Паспортная величина сопротивления обмотки трансформатора:

Ом.

  1.  Удельное сопротивление медных проводников: Ом*м.
  2.  Удельное сопротивление алюминиевых проводников: Ом*м.

Расчет величины возможного тока короткого замыкания по заданным параметрам:

,

где – ток короткого замыкания [А];

– фазовое напряжение [B];

– общее сопротивление цепи [Ом];

– сопротивление катушек трансформатора [Ом].

,

где  и – сопротивление первого и второго проводника соответственно [Ом];

– сопротивление нулевого защитного проводника [Ом];

Расчет сопротивления проводника производится по формуле:

,

где  – удельное сопротивление материала проводника [Ом*м];

– длина проводника [м];

– площадь поперечного сечения проводника [мм2].

Таким образом, получаем следующие значения:

По величине тока короткого замыкания  определим с каким  необходимо к цепи питания ПЭВМ включить автомат. При замыкании фазы на зануленный корпус электроустановка автоматически отключается, если ток однофазного короткого замыкания  удовлетворяет условию:

,

где  – номинальный ток срабатывания защитного устройства, [А];

k – коэффициент, учитывающий тип защитного устройства.

Таким образом, номинальный ток срабатывания защитного устройства:

Отсюда следует, что во избежание поражения электрическим током и выхода из строя ПЭВМ и периферийного оборудования, в случае возникновения короткого замыкания или других причин появления напряжения прикосновения в цепь питания ПЭВМ необходимо включить автомат с номинальным током А.

Номинальная полезная нагрузка в офисе 5720 Вт, а суммарная нагрузка всех устройств в офисе ~4000 Вт. А оптимальное значение тока для данного офиса.

Для снижения уровня воздействия электромагнитных полей желательно пользоваться следующими мерами:

  •  осуществлять экранирование экрана монитора, суть которого заключается в покрытии поверхности экрана слоем оксида олова, либо в стекло электролучевой трубки добавляется оксид свинца;
  •  удалять рабочее место от источника электромагнитного поля: оператор должен находиться на расстоянии вытянутой руки от экрана монитора;
  •  необходимо рациональное размещение оборудования. Располагать ЭВМ следует на расстоянии не менее 1,22 м от боковых и задних стенок других мониторов;
  •  запрещается работать при снятых внешних кожухах (корпусах) персональных компьютеров;
  •  необходимо ограничивать время работы за компьютером. Время непрерывной работы должно составлять не более 4 часов в сутки. За неделю суммарное время работы не должно превышать 20 часов.

Для ослабления ультрафиолетового излучения необходимо:

  •  использовать в помещении, где установлена вычислительная техника, люминесцентные лампы мощностью не более 40 Вт;
  •  стены в помещении должны быть побелены обычной побелкой, или побелкой с добавлением гипса (что ослабляет воздействие УФИ на 45-50%);
  •  использовать светофильтры (очки, шлемы) из тёмно-зелёного стекла, полную защиту от УФИ всех длин волн обеспечивают очки «флинтглаз» (стекло, содержащее окись свинца) толщиной 2 мм;
  •  рекомендуется находиться в одежде из тканей, наименее пропускающих УФИ (например, из поплина или фланели).

Защиту от рентгеновского излучения можно обеспечить:

  1.  выбором длительности работы с компьютером;
    1.  выбором расстояния до экрана монитора;
    2.  экранированием.

Рассмотрим более подробно каждый пункт.

1. Время работы на персональном компьютере по санитарным нормам не должно превышать шести часов в сутки.

2. Все компьютеры, не соответствующие шведскому стандарту MPRII (MPRII базируется на концепции о том, что люди живут и работают в местах, где уже есть магнитные и электрические поля, поэтому устройства, которые мы используем, такие, как монитор для компьютера, не должны создавать электрические и магнитные поля, большие, чем те, которые уже существуют), на расстоянии 5 см от экрана имеют мощность дозы рентгеновского излучения 50-100 мкР/час.

Для определения величины облучения оператора, рассчитаем дозу, которую можно получить на различном расстоянии от экрана монитора.

Для этого необходимо определить мощность дозы облучения Pr на расстоянии r от экрана, которая рассчитывается по формуле:

,

где P0 – начальная мощность дозы на расстоянии 5 см от экрана, равная 100мкР/ч (значение получено с помощью рентгеновского дифрактометра);

r – расстояние от экрана, измеряемое в сантиметрах;

– линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения воздухом, измеряемый в 1/см ().

Рассчитаем мощность дозы облучения на расстояниях: 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 см (обычно оператор не находится от монитора далее, чем на 1 метр). Результаты расчетов приведены в таблице, где в первой строке указано расстояние, а во второй величина дозы облучения.

На основании таблицы можно построить график зависимости мощности дозы излучения от расстояния до экрана (рис. 33).

r, см

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Pr

100

73

53,3

39

28,5

21

15,2

11,1

8,1

5,9

4,3

Таблица 13: Зависимость излучения от расстояния

Как правило, пользователь располагается на расстоянии 50 – 60см от экрана дисплея. Таким образом, он подвергается дозе облучения 15,2–21 мкР/ч (для дальнейших расчетов будем использовать максимальное значение 21 мкР/ч).

Рис. 33 Зависимость излучения от расстояния

Годовая норма дозы облучения составляет 0,1 Р/год. Для определения годовой нормы облучения оператора за год рассчитаем данную величину, учитывая, что человек находился перед монитором по 6 часов в сутки (максимально допустимое время) и 5 дней в неделю.

Из расчета получено, что годовая доза облучения составляет 0,028 Р/год, что не превышает нормированное значение.

Таким образом, при нахождении оператора на расстоянии 50–60 см от монитора по 6 часов в сутки 5 дней в неделю соблюдено условие защиты человека от радиации.

3. Пользователи, использующие мониторы, не соответствующие стандарту MPRII, нуждаются в дополнительной защите от воздействия рентгеновского излучения. Такая защита обеспечивается экранированием. Экранирование – это использование специальных экранов для монитора. Лучшим из них считаются экраны: ”Ergostar”, дающие ослабление 0,03 мкР/ч на 5 см., а также “Global Shield”, соответствующие стандарту MPRII.

Для защиты от статического электричества необходимо выполнять следующие требования:

  1.  Обеспечить подвижность воздуха в помещении не выше 0,2 м/сек;
  2.  При проветривании помещения люди в нем должны отсутствовать;
  3.  Обеспечить регулярное проведение влажной уборки, для снижения количества пыли в помещении;
  4.  Покрытие полов должно быть антистатичным;
  5.  Помещение должно быть оборудовано кондиционером и пылеуловителем, а иногда "Люстрой Чижевского" (ионизатор воздуха), эти устройства снижают количество пыли в помещении (а "Люстра Чижевского" еще и подавляет статические поля);
  6.  После занятий на компьютере необходимо умыться холодной водой;
  7.  В помещении крайне нежелательно применение мела, поскольку мел постепенно переходит с доски на лица людей путем разгона статическими полями (если в помещении должна быть доска, то она должна быть маркерной);
  8.  В помещении должны быть в наличии нейтрализаторы статического электричества. Наиболее эффективным способом нейтрализации статического электричества является применение нейтрализаторов, создающих вблизи наэлектризованного диэлектрического объекта положительные и отрицательные ионы. Различают несколько типов нейтрализаторов:
    •  коронного разряда (индуктивные и высоковольтные);
    •  радиоизотопные;
    •  комбинированные;
    •  аэродинамические.
  9.  Для защиты от статического электричества существуют специальные шнуры питания с встроенным заземлением. Там, где это не используется (отсутствует розетка) необходимо заземлять корпуса оборудования. Все корпуса оборудования, клавиатура, защелки дисководов и кнопки управления должны быть выполнены из изоляционного материала.
  10.  Мерцание экрана зависит исключительно от характеристик монитора, поэтому уменьшить воздействие данного вредного фактора можно лишь, уменьшив время, проведенное за экраном монитора. Блики на экране монитора могут возникнуть из-за неправильного освещения в помещении.

4.4 Эргономические требования к рабочим местам пользователей

Помимо выполнения рассмотренных методов защиты от воздействия опасных и вредных факторов при работе за компьютером важным является соблюдение эргономических требований при организации рабочих мест.

Выполнение эргономических рекомендаций по эксплуатации компьютеров позволяет значительно снизить вредные воздействия находящихся в эксплуатации ЭВМ. В первую очередь безопасность при работе с ЭВМ может быть обеспечена за счет правильного выбора визуальных параметров дисплея, рационального размещения компьютеров в помещениях, оптимальной с точки зрения эргономики организации рабочего дня пользователей, а также за счет применения средств повышения контраста и защиты от бликов на экране, электромагнитных излучений и электростатического поля.

Визуальные эргономические параметры дисплеев являются важнейшими параметрами безопасности, и их неправильный выбор однозначно влияет на зрительный дискомфорт и утомление человека–пользователя.

Для надежного считывания информации, при соответствующей степени комфортности ее восприятия, выбор параметров монитора должен обеспечивать работу оператора в оптимальных и допустимых диапазонах значений соответствующих параметров. Оптимальные и допустимые значения визуальных эргономических параметров должны быть указаны в технической документации на монитор для режимов работы различных категорий пользователей (детей, студентов, профессиональных специалистов и т.п.).

При выборе дисплея необходимо в первую очередь обращать внимание на следующие параметры:

  •  размер видимого изображения по диагонали;
  •  размер точки изображения;
  •  максимальное разрешение изображения.
    1.  Конструкция рабочего стола должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования (монитора, системного блока, клавиатуры, принтера и т.д.) с учетом его количества и конструктивных особенностей, характера выполняемой работы, а также возможности выполнения трудовых операций в пределах досягаемости. Поверхность стола должна быть ровной, без углублений. Высота рабочей поверхности стола должна регулироваться в пределах 680-800 мм. При отсутствии такой возможности высота рабочей поверхности – 725 мм. Рабочий стол должен иметь пространство для ног высотой не менее 620 мм, шириной – не менее 550 мм, глубиной на уровне колен – не менее 450 мм, и на уровне вытянутых ног – не менее 650 мм.
    2.  Конструкция рабочего стула (кресла) должна обеспечивать поддержание рациональной рабочей позы при работе, позволять изменять позу с целью снятия статического напряжения мышц шейно-плечевой области и спины для предупреждения развития утомления. Рабочий стул (кресло) должен быть подъемно–поворотным и регулируемым по высоте и наклону сиденья и спинки, а также по расстоянию спинки от переднего края сиденья. При этом регулировка каждого параметра должна осуществляться независимо от других, легко, и иметь надежную фиксацию. Поверхность сиденья должна быть полумягкой, с не электризуемым, воздухопроницаемым покрытием, а также легко чистящейся. Ширина и глубина поверхности сиденья – не менее 400 мм, регулировка высоты – в пределах 400-500 мм и углам наклона вперед – до 150, назад – до 50, высота опорной поверхности спинки стула (кресла) –300 мм (+/-)20 мм, ширина – не менее 380 мм, угол наклона спинки в вертикальной плоскости от 0 до 300.
    3.  Экран монитора должен находиться на расстоянии 500–700 мм от глаз пользователя.
    4.  Панель клавиатуры должна быть установлена в удобной для рук зоне так, чтобы предплечье находилось в горизонтальном положении, а плечо – примерно вертикально. Желательно избегать установки клавиатуры внутрь стола для освобождения рабочего места.
    5.  Рекомендуемый микроклимат в помещениях при работе с ПЭВМ:
      •  температура 19-210 С;
      •  относительная влажность воздуха 55-62%.
      •  подвижность воздуха 0,1-0,2 м/с.
    6.  Площадь на одно рабочее место должна составлять примерно 6 м2.
    7.  Поверхность пола в помещениях должна бать ровной, без выбоин, нескользкой, удобной для чистки и влажной уборки, обладать антистатическими свойствами.

Режимы труда и отдыха при работе с ПЭВМ зависят от категории трудовой деятельности. Все работы с использованием ПЭВМ делятся на три категории:

  1.  Эпизодическое считывание и ввод информации в ПЭВМ или работа в режиме диалога (не более 2-х часов за 8-часовую рабочую смену).
  2.  Считывание информации с предварительным запросом не более 40 тыс. знаков или ввод информации не более 30 тыс. знаков или творческая работа в режиме диалога не более 4-х часов за 8-часовую смену.
  3.  Считывание информации с предварительным запросом более 40 тыс. знаков или ввод информации более 30 тыс. знаков или творческая работа в режиме диалога более 4-х часов за 8-часовую рабочую смену.

Время регламентированных перерывов за рабочую смену следует принимать в зависимости от категории трудовой деятельности с ПЭВМ, а также продолжительности смены.

Продолжительность непрерывной работы с ПЭВМ без регламентированного перерыва не должна превышать 2 часов.

Продолжительность обеденного перерыва определяется действующим законодательством о труде и Правилами внутреннего трудового распорядка предприятия (организации, учреждения).

При 8-часовой рабочей смене регламентированные перерывы целесообразно устанавливать:

  •  для I категории работ с ПЭВМ через 2 часа от начала смены и через 2 часа после обеденного перерыва продолжительностью 15 минут каждый;
  •  для категории работ II через 2 часа от начала смены и через 2 часа после обеденного перерыва продолжительностью 15 минут каждый или продолжительностью 10 минут через каждый час работы;
  •  для III категории работ с ПЭВМ через 2 часа от начала смены, через 1,5 и 2,5 часа после обеденного перерыва продолжительностью 5-15 минут и через каждый час работы.

При работе с ПЭВМ в ночную смену, независимо от вида и категории работ, продолжительность регламентированных перерывов увеличивается на 60 минут.

С целью уменьшения отрицательного влияния монотонного труда целесообразно применять чередование типов и темпа выполнения операций.

В случаях возникновения у работающих с ПЭВМ зрительного дискомфорта и других неблагоприятных субъективных ощущений, несмотря на соблюдение санитарно-гигиенических, эргономических требований, режимов труда и отдыха следует применять индивидуальный подход в ограничении времени работ с ПЭВМ и коррекцию длительности перерывов для отдыха или проводить смену деятельности на другую, не связанную с использованием ПЭВМ.

Рациональное освещение помещений – один из наиболее важных факторов, от которых зависит эффективность трудовой деятельности человека.

Назначение его состоит в следующем:

  •  снижать утомляемость;
  •  увеличивать условия зрительной работы;
  •  способствовать повышению производительности труда и качества продукции;
  •  оказывать благоприятное воздействие на психику;
  •  уменьшать уровень травматизма и увеличивать безопасность труда.

К освещению в помещения предъявляются следующие требования:

  1.  Помещения должны иметь естественное и искусственное освещение.
    1.  Оконные проемы должны иметь регулируемые жалюзи или занавеси, позволяющие полностью закрывать оконные проемы. Занавеси следует выбирать одноцветные, гармонирующие с цветом стен, выполненные из плотной ткани и шириной в два раза больше ширины оконного проема. Для дополнительного звукопоглощения занавеси следует подвешивать в складку на расстоянии 15-20 см от стены с оконными проемами.
    2.  Рабочие места по отношению к световым проемам должны располагаться так, чтобы естественный свет падал сбоку, преимущественно - слева.
    3.  Для общего освещения в помещении должна быть обеспечена норма освещенности, равная 400 Лк.
    4.  Для исключения возникновения бликов экран монитора должен быть покрыт антибликовым покрытием. При его отсутствии необходимо использовать экраны и фильтры, обеспечивающие устранение бликов и повышение контрастности изображения.
    5.  В рабочей зоне освещение должно быть в такой мере, чтобы человек имел возможность хорошо видеть процесс работы, не напрягая зрение и не наклоняясь (менее чем на 0,5 метра до глаз) к объекту.
    6.  Освещение не должно создавать резких теней, бликов и оказывать слепящее действие. Глаза должны быть защищены от прямых источников света.
    7.  Спектральный состав света должен быть приближен к естественному свету.
    8.  Уровень освещенности должен быть достаточен и соответствовать условиям зрительной работы, должен обеспечивать равномерность и устойчивость.
    9.  Освещение не должно создавать блескости как самих источников света, так и предметов, находящихся в рабочей зоне.

4.5 Рекомендации по защите пользователей от излучений ЭВМ

При подборе вычислительной техники следует отдавать предпочтение мониторам с низкими уровнями излучений, отвечающим шведским стандартам MPR 1990:8, MPR 1990:10, ТСО 91 и повышенными визуальными характеристиками.

На мониторы рекомендуется устанавливать защитные фильтры класса полной защиты (Total shield), обеспечивающие практически полную защиту от всех вредных воздействий монитора в электромагнитном спектре и позволяющие уменьшить блик от электронно-лучевой трубки, а также повысить читаемость символов.

4.6. Выводы

Используемые методы и способы по защите от воздействия опасных и вредных факторов и соблюдение эргономических требований обеспечивают безопасность разработчика и пользователей.


Заключение

В соответствии с техническим заданием был дан общий обзор области, к которой относится тема дипломной работы, рассмотрены и проанализированы альтернативы для реализации поставленной задачи. Программный комплекс OMNET++ и симулятор Castalia, по результатам анализа, признаны отвечающими поставленным требованиям.

Был дан обзор возможностей и функционала беспроводных сенсорных сетей на базе стандарта 802.15.4. Приведены расчеты эффективной скорости передачи данных, энергопотребления и времени работы при заявленной и рассчитанной скорости.

В ходе выполнения дипломного проектирования была построена событийно-имитационная модель беспроводной сенсорной сети, на ее основе сымитирована работа и определено максимальное время работы сети (130 часов).

В технологической части изложен процесс установки, настройки и проверки работоспособности программного комплекса OMNET++ и симулятора Castalia.

В разделе «Экономическая часть» был проведен анализ экономической эффективности данного дипломного проекта.

В разделе «Охрана труда» приведены обзор и рекомендации по защите здоровья от вредных и опасных факторов, возникающих при работе с ЭВМ, таких как: поражение электрическим током и влияние излучение монитора на здоровье человека.


Приложение 1. Листинг

Листинг 1. Файл SensorNetwork.ned

import src.wirelessChannel.WirelessChannel;

import src.physicalProcess.iPhysicalProcess;

import src.node.Node;

network SN

{ parameters:

int field_x = default(100);

int field_y = default(100);

int field_z = default(0);

int numNodes;

string deployment = default("");

int numPhysicalProcesses = default(1);

string physicalProcessName = default("CustomizablePhysicalProcess");

string debugInfoFileName = default("Castalia-Trace.txt");

@display("bgb=315,305");

submodules:

wirelessChannel: src.wirelessChannel.WirelessChannel {

gates:

toNode[numNodes];

fromNode[numNodes]; }

physicalProcess[numPhysicalProcesses]: <physicalProcessName> like src.physicalProcess.iPhysicalProcess {

gates:

toNode[numNodes];

fromNode[numNodes]; }

node[numNodes]: src.node.Node {

gates:

toPhysicalProcess[numPhysicalProcesses];

fromPhysicalProcess[numPhysicalProcesses]; }

connections:

for i=0..numNodes - 1 {

node[i].toWirelessChannel --> wirelessChannel.fromNode[i];

node[i].fromWirelessChannel <-- wirelessChannel.toNode[i]; }

for i=0..numNodes - 1, for j=0..numPhysicalProcesses - 1 {

node[i].toPhysicalProcess[j] --> physicalProcess[j].fromNode[i];

node[i].fromPhysicalProcess[j] <-- physicalProcess[j].toNode[i];

} }

Листинг 2. Файл Node.ned

package src.node;

import src.node.mobilityManager.iMobilityManager;

module Node

{ parameters:

double xCoor = default(0);

double yCoor = default(0);

double zCoor = default(0);

double phi = default(0);

double theta = default(0);

double startupOffset = default(0);

double startupRandomization = default(0.05);

string ApplicationName;

string MobilityManagerName = default("NoMobilityManager");

gates:

output toWirelessChannel;

output toPhysicalProcess[];

input fromWirelessChannel;

input fromPhysicalProcess[];

submodules:

MobilityManager: <MobilityManagerName> like src.node.mobilityManager.iMobilityManager;

ResourceManager: src.node.resourceManager.ResourceManager;

SensorManager: src.node.sensorManager.SensorManager {

gates:

fromNodeContainerModule[sizeof(toPhysicalProcess)];

toNodeContainerModule[sizeof(toPhysicalProcess)]; }

Communication: src.node.communication.CommunicationModule {

@display("p=162,70"); }

Application: <ApplicationName> like src.node.application.iApplication;

connections:

Communication.toNodeContainerModule --> toWirelessChannel;

fromWirelessChannel --> Communication.fromNodeContainerModule;

Application.toCommunicationModule --> Communication.fromApplicationModule;

Application.toSensorDeviceManager --> SensorManager.fromApplicationModule;

Communication.toApplicationModule --> Application.fromCommunicationModule;

SensorManager.toApplicationModule --> Application.fromSensorDeviceManager;

for i=0..sizeof(toPhysicalProcess) - 1 {

fromPhysicalProcess[i] --> SensorManager.fromNodeContainerModule[i];

SensorManager.toNodeContainerModule[i] --> toPhysicalProcess[i];

}

ResourceManager.toSensorDevManager --> SensorManager.fromResourceManager;

ResourceManager.toApplication --> Application.fromResourceManager;

ResourceManager.toNetwork --> Communication.fromResourceManager2Net;

ResourceManager.toMac --> Communication.fromResourceManager2Mac;

ResourceManager.toRadio --> Communication.fromResourceManager2Radio; }

Листинг 3. Файл CommunicationModule.ned

package src.node.communication;

module CommunicationModule {

parameters:

string MACProtocolName = default ("BypassMAC");

string RoutingProtocolName = default ("BypassRouting");

gates:

output toApplicationModule;

output toNodeContainerModule;

input fromApplicationModule;

input fromNodeContainerModule;

input fromResourceManager2Net;

input fromResourceManager2Mac;

input fromResourceManager2Radio;

submodules:

Radio: src.node.communication.radio.Radio;

MAC: <MACProtocolName> like src.node.communication.mac.iMac;

Routing: <RoutingProtocolName> like src.node.communication.routing.iRouting;

connections:

fromApplicationModule --> Routing.fromCommunicationModule;

Routing.toCommunicationModule --> toApplicationModule;

Routing.toMacModule --> MAC.fromNetworkModule;

MAC.toNetworkModule --> Routing.fromMacModule;

MAC.toRadioModule --> Radio.fromMacModule;

Radio.toMacModule --> MAC.fromRadioModule;

fromNodeContainerModule --> Radio.fromCommunicationModule;

Radio.toCommunicationModule --> toNodeContainerModule;

fromResourceManager2Net --> Routing.fromCommModuleResourceMgr;

fromResourceManager2Mac --> MAC.fromCommModuleResourceMgr;

fromResourceManager2Radio --> Radio.fromCommModuleResourceMgr;

}

Листинг 4. Файл gen.txt

Castalia| what:[General] (1)

Castalia| when:2011-05-25 17:59

Castalia| label:General

Castalia| module:SN.wirelessChannel

Castalia|  histogram name:Fade depth distribution

Castalia|  histogram_min:-50 histogram_max:15

Castalia|  histogram_values 1081 2181 3818 11212 26451 63197 136446 288518 546297 785648 677515 187285 5995 0

Castalia| module:SN.node[0].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   11.0658

Castalia| module:SN.node[0].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   28 Failed with interference

Castalia|   79404 Failed, below sensitivity

Castalia|   8 Failed, non RX state

Castalia|   23 Received despite interference

Castalia|   5384 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   35156 TX pkts

Castalia| module:SN.node[0].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Number of beacons sent

Castalia|   29749

Castalia| module:SN.node[1].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.36202

Castalia| module:SN.node[1].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   121 Failed with interference

Castalia|   30909 Failed, below sensitivity

Castalia|   20795 Failed, non RX state

Castalia|   100 Received despite interference

Castalia|   64785 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   13955 TX pkts

Castalia| module:SN.node[1].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   0.0965132

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   19788

Castalia| module:SN.node[2].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   2.94032

Castalia| module:SN.node[2].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   133 Failed with interference

Castalia|   38682 Failed, below sensitivity

Castalia|   2636 Failed, non RX state

Castalia|   144 Received despite interference

Castalia|   87775 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   3 TX pkts

Castalia| module:SN.node[2].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   0.000108213

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   28964

Castalia| module:SN.node[3].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   4.85701

Castalia| module:SN.node[3].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   25 Failed with interference

Castalia|   31037 Failed, below sensitivity

Castalia|   11427 Failed, non RX state

Castalia|   28 Received despite interference

Castalia|   38271 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   49215 TX pkts

Castalia| module:SN.node[3].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   0.26923

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   15549

Castalia| module:SN.node[4].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   2.9656

Castalia| module:SN.node[4].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   60 Failed with interference

Castalia|   32608 Failed, below sensitivity

Castalia|   18471 Failed, non RX state

Castalia|   145 Received despite interference

Castalia|   72331 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   5939 TX pkts

Castalia| module:SN.node[4].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   0.0454776

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   22173

Castalia| module:SN.node[5].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   4.13945

Castalia| module:SN.node[5].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   12 Failed with interference

Castalia|   42258 Failed, below sensitivity

Castalia|   15723 Failed, non RX state

Castalia|   8 Received despite interference

Castalia|   35658 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   32542 TX pkts

Castalia| module:SN.node[5].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   0.186799

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   17183

Castalia| module:SN.node[6].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00667

Castalia| module:SN.node[6].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   446 Failed with interference

Castalia|   17 Failed, below sensitivity

Castalia|   140 Received despite interference

Castalia|   136219 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[6].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   9.61271e-06

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29748

Castalia| module:SN.node[7].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00661

Castalia| module:SN.node[7].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   457 Failed with interference

Castalia|   16 Failed, below sensitivity

Castalia|   129 Received despite interference

Castalia|   136216 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[7].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   4.18073e-05

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29743

Castalia| module:SN.node[8].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00687

Castalia| module:SN.node[8].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   466 Failed with interference

Castalia|   12 Failed, below sensitivity

Castalia|   120 Received despite interference

Castalia|   136197 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[8].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   4.22215e-05

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29747

Castalia| module:SN.node[9].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00613

Castalia| module:SN.node[9].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   420 Failed with interference

Castalia|   2 Failed, below sensitivity

Castalia|   166 Received despite interference

Castalia|   136234 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[9].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   1.051e-05

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29746

Castalia| module:SN.node[10].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00656

Castalia| module:SN.node[10].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   438 Failed with interference

Castalia|   16 Failed, below sensitivity

Castalia|   148 Received despite interference

Castalia|   136193 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[10].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   4.15762e-05

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29746

Castalia| module:SN.node[11].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00665

Castalia| module:SN.node[11].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   455 Failed with interference

Castalia|   4 Failed, below sensitivity

Castalia|   131 Received despite interference

Castalia|   136232 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[11].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   9.07657e-06

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29746

Castalia| module:SN.node[12].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00605

Castalia| module:SN.node[12].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   470 Failed with interference

Castalia|   6 Failed, below sensitivity

Castalia|   27 Failed, non RX state

Castalia|   116 Received despite interference

Castalia|   136203 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[12].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   8.59512e-06

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29743

Castalia| module:SN.node[13].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00625

Castalia| module:SN.node[13].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   437 Failed with interference

Castalia|   18 Failed, below sensitivity

Castalia|   149 Received despite interference

Castalia|   136218 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[13].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   8.11368e-06

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29747

Castalia| module:SN.node[14].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00654

Castalia| module:SN.node[14].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   451 Failed with interference

Castalia|   31 Failed, below sensitivity

Castalia|   134 Received despite interference

Castalia|   136206 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[14].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   8.97809e-06

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29748

Castalia| module:SN.node[15].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00576

Castalia| module:SN.node[15].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   454 Failed with interference

Castalia|   21 Failed, below sensitivity

Castalia|   28 Failed, non RX state

Castalia|   131 Received despite interference

Castalia|   136188 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[15].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   8.46386e-06

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29747

Castalia| module:SN.node[16].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00687

Castalia| module:SN.node[16].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   436 Failed with interference

Castalia|   1 Failed, below sensitivity

Castalia|   150 Received despite interference

Castalia|   136235 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[16].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   9.97381e-06

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29747

Castalia| module:SN.node[17].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00653

Castalia| module:SN.node[17].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   479 Failed with interference

Castalia|   13 Failed, below sensitivity

Castalia|   107 Received despite interference

Castalia|   136223 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[17].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   8.3544e-06

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29747

Castalia| module:SN.node[18].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00595

Castalia| module:SN.node[18].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   459 Failed with interference

Castalia|   5 Failed, below sensitivity

Castalia|   127 Received despite interference

Castalia|   136231 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[18].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   9.21881e-06

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29744

Castalia| module:SN.node[19].ResourceManager

Castalia|  simple output name:Consumed Energy

Castalia|   3.00695

Castalia| module:SN.node[19].Communication.Radio

Castalia|  simple output name:RX pkt breakdown

Castalia|   451 Failed with interference

Castalia|   37 Failed, below sensitivity

Castalia|   28 Failed, non RX state

Castalia|   135 Received despite interference

Castalia|   136148 Received with NO interference

Castalia|  simple output name:TXed pkts

Castalia|   1 TX pkts

Castalia| module:SN.node[19].Communication.MAC

Castalia|  simple output name:Fraction of time without PAN connection

Castalia|   4.20683e-05

Castalia|  simple output name:Number of beacons received

Castalia|   29745


Приложение 2. Графический материал

PAGE  31


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70533. Измерение емкости и тангенса угла потерь 115.5 KB
  Схемы мостов переменного тока с отношением балансных плеч для измерения емкости конденсатора с малыми и большими потерями представлены на рис. 1 Рассмотрим схему для измерения емкости конденсатора с малыми потерями рис. Тангенс угла потерь для конденсатора с малыми потерями.
70535. Безопасность жизнедеятельности, ответы к экзамену 134.73 KB
  Под опасным гидрометеорологическим явлением (ОЯ) понимается явление, которое по своей интенсивности, продолжительности или времени возникновения представляет угрозу безопасности людей, а также может нанести значительный ущерб отраслям экономики.
70539. ОПОРНИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ ІЗ ДИСЦИПЛІНИ МАКРОЕКОНОМІКА 2.15 MB
  В трансформаційних умовах розвитку економіки України всім учасникам ринкових перетворень потрібний базовий обсяг економічних знань. Що ж до майбутніх фахівців з економіки та менеджменту – студентів економічних спеціальностей, то необхідним є вивчення не лише базового курсу економічної теорії...