Ж-л "Электроника, наука, технология, бизнес" N3, 2004

Системы автоматизации, мониторинга, управления находят все большее применение в различных отраслях промышленности. Все эти системы нуждаются в надежном канале связи. Объекты, состояние которых необходимо контролировать, могут находиться на большом удалении от телефонизированных узлов, например, удаленная автоматизированная метеостанция. Прокладка телефонного кабеля к такому объекту может быть нецелесообразной с экономической точки зрения.

Сергей Хуторной

Естественным выходом из этого положения может стать беспроводный канал связи. Использование выделенного радиочастотного канала сопряжено с рядом проблем. Это во первых, получение разрешения на специально выделенный участок радиоспектра - процесс длительный и затратный. Если же использовать разрешенные частоты, то возникает проблема помехозащищенности и дальности связи. Как правило, при работе в разрешенном диапазоне частот, например 433МГц, комитетом по радиочастотам накладываются ограничения на мощность передающего устройства, соответственно на дальность связи. В данном случае не более 10мВт. Во вторых, разработчику приходится решать проблемы системного уровня: временное или кодовое разделение сигналов от разных датчиков, расчет бюджета радиолинии, анализ емкости и пропускной способности реализуемого канала связи и многое другое.

Поэтому целесообразно переложить решение всех этих проблем на плечи сотового оператора сети GSM. При этом достаточно закупить нужное количество SIM-карт и сотовых модемов.

Можно привести множество примеров автоматизированных систем, где необходимо снимать данные с различных датчиков, счетчиков, измерительных приборов. Практика показывает, что использование сотовой связи способно существенно упростить, ускорить и возможно даже удешевить создание законченных диспетчерских систем. Это может быть удаленный прибор или существующая локальная сеть датчиков, от которых необходимо передать информацию в центральный пункт сбора данных - все эти приборы можно легко подсоединены к сотовому модема и таким образом получить выход во внешний мир.

Например, в энергетике все популярнее становится тематика автоматизированных систем контроля и учета энергоресурсов. На объекте расположено большое количество счетчиков электроэнергии, тепла, воды, газа с которых необходимо периодически снимать данные на центральное устройство сбора данных (УСД), расположенное в пределах этого объекта. Потом, как правило раз в сутки, эти данные от УСД передаются в центр сбора данных. Если объектом является жилой дом, то данные со счетчиков на УСД могут передаваться разными способами, начиная от выделенной линии и заканчивая сетью 220В, по которой тоже можно передавать информацию. Далее информация от УСД должна попасть на центральный пункт сбора данные. Это выгоднее сделать с помощью сотового модема.

При размещении такой системы на промышленном предприятии, когда расстояния большие и нет разветвленной информационной сети, к которой можно подключить счетчик сотовый модем может быть расположен прямо в корпусе этого счетчика. И тогда счетчик можно располагать где угодно, лишь бы был уверенный прием от ближайшей базовой станции сотового оператора. Уникальный номер SIM-карты счетчика не позволит перепутать его с другим таким же аппаратом и таким образом решить проблему системного уровня, о которой говорилось высшее.

Железная дорога. Потребность в передаче данных на железной дороге существует в нескольких местах. При оснащении подвижного состава сотовыми модемами появляется возможность передавать сигнала о состоянии груза, его местоположении (GPS+GSM), сигналы пожарно-охранной сигнализации. Это может быть полезно как структурам железной дороги, так и транспортным компаниям, несущим ответственность за сохранность груза во время перевозки. Вдоль железной дороги расположено огромное количество построек, принадлежащих этому ведомству, с которых периодически необходимо снимать телеметрические данные. Здесь тоже не обойтись без сотовой связи.

Нефтегазовый комплекс. Передача телеметрии от различных объектов комплекса, например трубопроводов, тоже удобно по сотовому каналу.

Научно-техническая деятельность человечества стала ощутимым фактором воздействия на окружающую среду. По многим прогнозам проблема защиты окружающей среды в ближайшей перспективе станет наиболее значимой для большинства промышленно развитых стран. В подобной ситуации налаженная широкомасштабная и эффективная сеть контроля состояния окружающей среды, особенно в крупных городах и вокруг экологически опасных объектов, может стать важным элементом обеспечения экологической безопасности. Оптимальным решением для организации связи между элементами сети является использование уже готовой инфраструктуры сети GSM. Сигналы с GSM-контроллера системы передаются SMS (Short Message Service передача коротких сообщений) сообщениями, или (при необходимости) в диалоговом режиме, на Центральный пульт экологического мониторинга, одновременно оповещая клиентов системы экологического мониторинга. Это позволит своевременно отслеживать аварийные ситуации на объектах повышенной опасности. Такого рода система уже действует в Свердловской области.

Распределенная торговая сеть, автономные платежные терминалы и кассовые аппараты, банкоматы. Сделать эту сеть оперативной и гибкой помогают сотовые модемы.

Развитие рынка автоперевозок, в первую очередь дорогих и опасных грузов привело к возникновению систем слежения и мониторинга подвижных объектов. На подвижный объект ставится GPS приемник, который вычисляет его координаты и по сети GSM передает их в центр обработки данных, где на электронной карте отслеживается положение этого объекта. Кроме того, могут передаваться данные о состоянии различных систем объекта: уровень топлива в баке, состояние груза. При необходимости водитель может связаться с диспетчером по звуковому каналу сотового модема. По аналогичному принципу строятся охранные системы с GSM каналом. При угоне автомобиля система передает координаты авто.

Это далеко не полный перечень приложений, где не обойтись без сотовой связи и ее использование может быть экономически выгодно.

Разнообразие режимов связи в сотовых сетях позволяет оптимизировать систему сбора и мониторинга по стоимости эксплуатации канала связи. На сегодняшний день сотовые операторы могут предложить три варианта связи: при помощи коротких SMS сообщений, в режиме GSM и в режиме GPRS.

Если до недавнего времени услуга SMS (Short Message Service - услуга коротких сообщений) была популярна, в основном у тинэйджеров, то сейчас, благодаря низкой стоимости, простоте использования и удобному сервису находит широкое применение в промышленных системах. Кроме того, если по какой-то причине у принимающей стороны не было возможность принять сообщение, то это можно сделать позднее, все сообщения хранятся на сервере сотового оператора. Недостатками этого сервиса являются: негарантированность быстрой доставки сообщения адресату и ограничение по длине сообщения (не более 160 буквенно-цифровых знаков). SMS удобны при небольшом объеме передаваемых данных, например, счетчик электроэнергии может опрашиваться один раз в сутки, или при передаче сигнала тревоги с охраняемого объекта.

Когда объем передаваемых данных превышает лимит SMS сообщения можно воспользоваться режимом GSM. Этот режим используется для передачи речевых сообщений, скоростные характеристики канала в этом режиме соответствуют звуковому каналу связи. Поэтому при передаче данных по сотовому каналу связи в режиме GSM скорость ограничена пропускной способностью голосового канала - 9600 бит/с. Несомненным достоинством этого режима по сравнению с SMS - его надежность. Режим GSM, как звуковой режим, имеет максимальный приоритет у сотового оператора. Однако в этом режиме потребитель платит не за переданный трафик, а за время соединения. Так, к примеру, время дозвона может составлять от 5 до 15 секунд, в то время как непосредственно передача данных может длиться не более 3 секунд. В итоге неоптимальное использование ресурсов.

Выходом из этого может быть GPRS канал (режим). Этот режим наилучшим образом подходит для передачи больших объемов данных, работы в сети Интернет, передачи факсимильных сообщений, электронной почты. GPRS - это технология пакетной передачи данных (General Package Radio Service) в сетях GSM. Особенность этого режима в том, что абоненту предоставляется канал связи, который зависит не от времени подключения к сети, а от трафика. Т.е. после установки соединения абонент может все время находиться в on-line, при этом платить он будет за фактически переданные биты данных, а не за время соединения. Такая экономия связана с тем, что в режиме GPRS, после соединения с сотовым оператором абоненту предоставляется "виртуальный канал связи", который становится реальным радиоканалом только в момент передачи данных. В остальное время этот канал может использоваться оператором для передачи данных других абонентов, что позволяет снизить стоимость мегабайта информации и принципиально иным образом рассчитывать стоимость услуги связи - исходя не из времени, которое абонент проводит в сети, а из объема передаваемой информации. При этом режиме связи появляется возможность мониторинга в реальном времени, так как объект постоянно находится на связи.

Для решения проблем связи промышленных систем через сеть сотового оператора ряд зарубежных фирм выпускает GSM модемы. Это устройства отличаются от мобильных телефонов лишь конструктивным исполнением и рассчитаны на более жесткие условия эксплуатации. В данный момент сотовые модемы по конструктивному исполнению можно разделить на три условных группы.

К первой группе относятся готовые терминальные устройства в металлическом корпусе и с внешним блоком питания. В качестве внешнего интерфейса такой модем имеет антенну и порт RS232. Это законченное полнофункциональное устройство.

Второй тип модемов ориентирован на встраивание в корпуса различного оборудования. Конструктивно выполнен в металлическом корпусе. Внешний высокочастотный интерфейс с антенной выведен на разъем MMCX, а низкочастотный и питание на 50-контактный разъем.

Третий тип сотовых модемов - бескорпусные модули, представляют собой компактное ядро сотового модема для монтажа на плату целевого устройства потребителя. Такие модули могут служить начинкой для первых двух вариантов.

По конструктивному исполнению сотовые модемы фирмы Fargo Telecom Maestro 100 относятся к терминальному типу (рис.1.). Это законченные устройства в миниатюрном металлическом корпусе. В качестве начинки этого модема используется модуль сотового модема Quick фирмы Wavecom. Фирменное know-how - специальный крепежный элемент для крепления модема на вертикальной поверхности. Для удобства настройки модема фирмой изготовителем разработана специализированная программа для операционной системы Windows, позволяющая в диалоговом режиме настраивать любые параметры модемы.

Рис.1. Конструктивное исполнение модема Fagro Maestro 100.

В отличие от внешних модемов фирмы Fargo фирма DAI Telecom (торговая марка Telit) предлагает модули сотовых модемов семейства GM862 для встраивания в корпуса различного оборудования. Модем выполнен в жестком металлическом корпусе. По конструктивному исполнению он относится ко второму типу.

Рис.2. Модем семейства GM862 фирмы DAI Telecom

Оба типа модемов имеют общие функциональные характеристики, они поддерживают: телефонную связь; передачу данных и факсимильных сообщений как в режиме GSM, так и в режиме GPRS; передачу коротких SMS сообщений. Это двухдиапазонные устройства, с выходной мощностью на частоте 900МГц 2Вт и на частоте 1800/1900МГц 1Вт. И модемы Fargo и модемы Telit имеют встроенный считыватель SIM карты.

Все помнят, какой фурор на рынке бытовых сотовых телефонов произвели модели со встроенной фотокамерой. Отличительная особенность модели GM862-PCS фирмы DAI Telecom состоит в том, что на 50-контактный интерфейсный разъем, помимо стандартных функций выведены контакты подключения цифровой фотокамеры. В сочетании со скоростью передачи данных в режиме GPRS это свойство позволяет передавать видео картинку со скоростью 3-5 кадров в секунду. Более подробную техническую документацию на русском языке по всем перечисленным типам модемов можно посмотреть на сайте rtcs.ru.

Без сомнения сфера использования сотовых модемов будет постоянно расширяться, пополняя год от года список приложений. Развивается аппаратная часть модемов, увеличивается число сервисов, которые предлагают сотовые операторы. Недавно я нашел в Интернете документ 9-ти летней давности изданный International Engineering Consortium, в котором описывались долгосрочные прогнозы развития сетей GSM на период до 2005 года. Предполагалось в 2004 году пересечь барьер в 80 миллионов абонентов и к 2005 году достичь цифры 100 миллионов. На прошедшей в 2004г. выставке CEBIT, в одном из докладов, была озвучена цифра абонентов сотовой связи стандарта GSM - более 500 млн. Комментарии излишни, перспективы понятны.

версия для печати