Модель телекомунікаційної мережі “інтелектуального будинку”(Лісотех’2016)

Модель телекомунікаційної мережі інтелектуального будинку на основі мереж Петрі

Теслюк В. М., Борейко О.Ю., Сидор А.Р, Береговська Х.В.
Кафедра САПР, Національний університет «Львівська політехніка»,
Кафедра КІ, Тернопільський національний економічний університет,
Національний університет «Львівська політехніка»,
Прикарпатський НУ ім. Василя Стефаника

Abstract – В статті розроблено структуру телекомунікаційної мережі “інтелектуального будинку”. Дослідження побудованої структури проведено з використанням розробленої структурної моделі на основі теорії мереж Петрі, а отримані результати представлено у формі графа досяжності станів системи. Розроблена модель оцінки надійності телекомунікаційної мережі “інтелектуального будинку”. Телекомунікаційна мережа зведена до симетричної ієрархічної системи, розгалуженої до 3-го рівня, що дає можливість оцінити імовірнісні та часові характеристики надійності, а також імовірності відмови, частоти та інтенсивності відмов. Бібл. 9, рис. 4.
Ключові слова: модель, “інтелектуальний будинок”, телекомунікаційна мережа, надійність, мережі Петрі.

Вступ

Ми живемо в час, коли відбувається “інтелектуалізація” багатьох технічних систем та впровадження “інтелектуальних” технологій в звичні побутові пристрої, внаслідок чого вони стають більш конкурентоспроможними в умовах жорсткої ринкової економіки. Однією з таких областей, де інтенсивно впроваджуються інтелектуальні технології – є сфера побуту. Використання технології “інтелектуального будинку” (ІБ) дає можливість покращити рівень комфорту помешкання та суттєво економити енергоносії. За даними з різних джерел, економія енергоресурсів може сягати до 40 – 50 відсотків [2, 4, 5, 9].

Однією з базових складових системи ІБ – є телекомунікаційна мережа (ТКМ), основним завданням якої є передача даних та попереднє опрацювання блоків даних. На базі однієї телекомунікаційної мережі можна створити декілька інформаційних мереж, за допомогою яких відбувається об’єднання підсистем “інтелектуального будинку” в єдину систему.
Поняття “інтелектуальний будинок” або “розумний дім”, на сьогодні, є дискусійними. Загалом, під поняттям ІБ – слід розуміти житлове приміщення, що являє собою систему, яка пропонує абсолютно новий підхід в організації життєзабезпечення будівлі [5]. У такій системі, за рахунок комплексу об’єднаних у ТКМ програмно-апаратних засобів, значно зростає ефективність функціонування і надійність керування усіма підсистемами та виконавчими механізмами [4].
Проведений аналіз дає змогу стверджувати, що керуючими пристроями “інтелектуального будинку”, зазвичай, є мікроконтролери, але використання мікроконтролерних систем для великих і складних проектів не завжди є виправданим через обмеженість їхньої функціональності.
В даній роботі представлено розроблену модель ТКМ ІБ, реалізовану на основі мікропроцесорних систем – одноплатних комп’ютерах Raspberry Pi [7]. Платформи на базі процесорів – це дещо абсолютно інше в багатьох аспектах, аніж традиційні мікроконтролери. Насправді Raspberry Pi має набагато більше спільного зі звичайним комп’ютером, ніж, скажімо, з мікроконтролерною платою Arduino [1], і це значно розширює можливості його використання у системах “інтелектуального будинку”.
ІБ повинен вміти “розпізнавати” конкретні ситуації, що відбуваються в житловому приміщенні і відповідним чином реагувати на них. Усі підсистеми такого дому мають бути інтегрованими в єдиний комплекс на базі локальних та глобальних сенсорних і комп’ютерних мереж. Тому, розроблення телекомунікаційної мережі для “інтелектуального будинку” – є актуальною задачею сьогодення.

Розроблення структури телекомунікаційної мережі інтелектуального будинку

Найважливішою базовою складовою системи ІБ є ТКМ, що здатна забезпечити надійний та ефективний взаємозв’язок між усіма його підсистемами. Об’єктом моделювання є розроблена двохрангова безпровідна комп’ютерна мережа Wi-Fi на основі маршрутизатора (топологія «зірка») [6], у яку інтегровано сенсорні мережі під керуванням одноплатних комп’ютерів Raspberry Pi.
Структура даної мережі має ієрархічну трьохрівневу будову. Зокрема, до структури ТКМ “інтелектуального будинку” (рис. 1) входять сервер, вхідні та вихідні керуючі команди якого надходять через мережу інтернет (перший рівень ієрархії), комп’ютери Raspberry Pi, що разом із роутером утворюють локальну комп’ютерну мережу ІБ (другий рівень ієрархії), а також мережі сенсорів (провідні та безпровідні) і актюаторів, що знаходяться під управлінням комп’ютерів Raspberry Pi (третій рівень ієрархії). Кожен Raspberry Pi разом із системою сенсорів утворює окрему автоматизовану підсистему “інтелектуального будинку”. Сервер слугує для збору і відображення інформації від сенсорів та керування виконавчими пристроями усіх підсистем.

Модель телекомунікаційної мережі на основі мереж Петрі

Для дослідження та аналізу роботи локальних та глобальних ТКМ використано модель на основі мереж Петрі [3, 9]. Відповідно, на рис. 2 зображено розроблену структурну модель на основі теорії мереж Петрі, яка призначена для аналізу динаміки роботи телекомунікаційної мережі та побудови графу досяжності станів. Приклад фрагменту графа досяжності станів для ситуації надходження даних від двох сенсорних мереж зображено на рис.3. Ці результати дають можливість стверджувати, що система є живою, необхідні стани – досяжні, а тупики – відсутні.

структура_ткміб
Рис. 1. Ієрархічна структура телекомунікаційної мережі “інтелектуального будинку”

Модель надійності телекомунікаційної мережі

ТКМ, зображену на рис. 1, можна розглядати як симетричну ієрархічну систему, розгалужену до 3-го рівня. Для оцінювання характеристик надійності необхідно згорнути ієрархічну розгалужену систему. Для цього об’єднаємо всі елементи, що не розгалужуються, в один. Система спроститься до вигляду, показаного на рис. 4, де елементу 0-го рівня підпорядковуються a1 елементів 1-го рівня, кожному елементу 1-го рівня – a2 елементів 2-го рівня, кожному елементу 2-го рівня – a3 елементів 3-го рівня, a1 – коефіцієнт розгалуження до 1-го рівня, a2 – коефіцієнт розгалуження до 2-го рівня, a3 – коефіцієнт розгалуження до 3-го рівня. Елементу нульового рівня на рис.4 відповідає глобальна комп’ютерна мережа, а як вихідні елементи (елементи третього рівня) розглядаються сенсори та актюатори.
Одержимо твірну функцію

S3(z) = p0(p1(p2(p3z+q3)a3+q2)a2+q1)a1+q0

(1)
де p0, q0, p1, q1, p2, q2, p3, q3 – відповідно ймовірності безвідмовної роботи та ймовірності відмов елементів 0-го, 1-го, 2-го та 3-го рівнів, z – довільний параметр.
За формулою бінома Ньютона – формула (1) перепишеться наступним чином:

1

Виходячи з результатів, одержаних у роботі [8], розробимо вирази для ймовірності відмови, частоти й інтенсивності відмов.
Позначимо через Q3W(k,t) імовірність відмови системи за заданого стану готовності k, де 0

2

petri_nets
Рис. 2. Фрагмент моделі на основі мереж Петрі Рис. 3. Фрагмент графа досяжності станів ТКМ

Позначимо через a3W(k,t) частоту відмов системи за заданого стану готовності k, де 0

3

Позначимо через Л3W(k,t) інтенсивність відмов системи за заданого стану готовності k, де 0

4

5

Оцінка імовірнісних і часових характеристик надійності, а також імовірності відмови, частоти відмов та інтенсивності відмов за заданої умови готовності дає можливість планувати виділення коштів для підтримання обладнання ТКМ у працездатному стані.

Особливості реалізації телекомунікаційної мережі на основі Raspberry Pi

Raspberry Pi являє собою одноплатний комп’ютер побудований на SoC (System on Chip) Broadcom BCM2835, що включає в себе процесор ARM із тактовою частотою 700 МГц, графічний процесор VideoCore IV, і 512 МВ (модель B) оперативної пам’яті [7]. Замість жорсткого диску використовується SD карта пам’яті. Особливістю даного комп’ютера є наявний у ньому інтерфейс GPIO (General-purpose input/output) – інтерфейс вводу/виводу загального призначення, через який реалізовано взаємодію комп’ютера із сенсорними мережами. GPIO використовується для зв’язку мікропроцесора з різними периферійними пристроями (давачі/ актюатори). Контакти інтерфейсу підлягають налаштуванню та групуються у порти. Саме наявність GPIO та невисока вартість Raspberry Pi робить його зручним для використання у системах інтелектуального будинку.
Для побудови комп’ютерної мережі використано USB Wi-Fi донгли. Здійснено налаштування їх для роботи у локальній телекомунікаційній мережі з сервером на основі роутера. В результаті отримано телекомунікаційну мережу із робочими станціями (Raspberry Pi з підмережами сенсорів) та сервером, яким призначені внутрішні IP-адреси, а також роутером.

Висновки

Розроблено структуру та моделі телекомунікаційної мережі ІБ на основі дешевих одноплатних комп’ютерів Raspberry Pi. Побудована модель на основі мереж Петрі дає змогу дослідити динаміку проектованого пристрою, а модель надійності – оцінити імовірнісні та часові характеристики надійності. Фізична модель ТКМ включає сервер, роутер та робочі станції з підмережами сенсорів. Передавальним середовищем комп’ютерної мережі є радіоканал (Wi-Fi). Сенсорні мережі працюють під керуванням комп’ютерів Raspberry Pi, використовуючи провідні та безпровідні протоколи передачі даних. В результаті розроблена модель локальної ТКМ ІБ дає змогу дослідити та здійснити детальний аналіз процесів, що у ній відбуваються. Розроблена телекомунікаційна мережа, завдяки використанню одноплатних комп’ютерів Raspberry Pi, є дешевим та функціональним рішенням для систем “ інтелектуального будинку”.

Література

1. Banzi M., Getting Started with Arduino, O’Reilly Media, Inc, 1-st Edition, 2011, 21 – 22.
2. Chan M., Esteve D., Escriba C., Campo E., A review of smart homes—Present state and future challenges, Computer Methods and Programs in Biomediscine, 91 (2008), 55-81.
3. Diaz M., Petri Nets: Fundamental Models, Verification and Applications, John Wiley & Sons, 2010, 768 p.
4. Helal S., Mann W., El-Zabadani H., King J., Kaddoura Y., Jansen E., The gator tech smart house: a programmable pervasive space, Computer, 38 (2005), No. 3, 50–60.
5. Jiang L., Liu D. Y., Yang B., Smart home research, Proceedings of the 2004 International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Shanghai, China, August, 2 (2004), 659–663.
6. Larry L. Peterson, Bruce S. Davie, Computer Networks: A Systems Approach, 2011, 920 p.
7. Richardson M., Wallace S., Getting Started with Raspberry Pi, Sebastopol, O’Reilly Media, 2012, 161 p.
8. Sydor A. R., Recurrent expressions for valuing reliability indicators of complicated electromagnetic systems. Proceedings of XIX th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED-2014), Tbilisi, Georgia, September 22-25, 2014,148-150.
9. Teslyuk V.M., Beregovskyi V.V., Pukach A.I., Development of smart house system model based on colored Petri nets, Proc. of the XVIII-th International Seminar / Workshop On Direct And Inverse Problems Of Electromagnetic And Acoustic Wave Theory (DIPED – 2013), Lviv, Ukraine, 2013, 205 – 208.

Оставить ответ

Обязательные поля помечены*

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.