Забыли пароль?
Главная / Библиотека / Беспроводный электронный тир

Аппаратный комплекс для организации беспроводного электронного тира

Задача

Разработать электронный тренажер, предназначенный для тренировки приемам ведения стрельбы в условиях максимально приближенных к реальным с получением наиболее полной информации о технике стрельбы.

Тренажер не должен отвлекать и не мешать при стрельбе. Устройство должно состоять из двух блоков (модулей). Один модуль (автономный) вместе с датчиком крепится на оружие и должен быть малогабаритным, легким и работать от аккумуляторной батареи, другой - подключается к персональному компьютеру. Связь между двумя модулями осуществляется посредством беспроводного радио интерфейса.

Функции проектируемого устройства:

  • обработка информации с фотодатчика, преобразование в цифровой вид автономным модулем;
  • обработка информации с ударного датчика автономным модулем;
  • контроль за состоянием аккумуляторной батареи автономным модулем;
  • передача всей необходимой информации по радиоканалу на второй модуль, подключенный к персональному компьютеру;
  • получение данных от автономного модуля по радиоканалу и передача на персональный компьютер вторым модулем.

Решение

Сравнительный анализ радио интерфейсов

В качестве используемого интерфейса радиопередачи мы предлагаем рассмотреть два альтернативных варианта решения IEEE 802.15.4 (ZigBee) и IEEE 802.15.1 (Bluetooth). Ниже приведена их сравнительная характеристика (таблица 1.).

Таблица 1. Сравнительные характеристики интерфейсов ZigBee и Bluetooth

  IEEE 802.15.4 (ZigBee) IEEE 802.15.1 (Bluetooth)
Скорость передачи 250 Кбит/с 720 Кбит/с
Общее описание Специально спроектирован для мобильных малопотребляющих устройств (пульты ДУ, датчики, сенсоры, электронные метки) Спроектирован для применения в мобильных устройствах, персональных компьютерах и бытовой технике
Энергопотребление [энергопотребление (мощность передатчика, дальность передачи)] 45mA@3.3V (0dBm (1mW), 100m)
270mA@3.3V (18dBm (60mW), 1.6km)
(имеется возможность управления мощностью передатчика)		 65mA@3.3V (0dBm, 10m)
Модуляция DSSS FHSS
Модель потребления Длительный срок от батарей Короткий срок и для использования в устройствах с аккумуляторными батареями
Дополнительное описание - простота использования;
- малые габариты конечного устройства;
- не высокая цена разработки;
- не требует необходимости лицензирования;
- возможность интегрирования в сети Wi-Fi или Bluetooth;
- невысокая скорость передачи данных		 - сложный протокол, предназначенный для передачи медиа- данных;
- энергопотребление выше, чем ZigBee;
- стоимость устройства выше, чем ZigBee;
- высокая скорость передачи данных

Вывод: для применения в проекте наиболее подходит решение на основе ZigBee (IEEE 802.15.4).

Общее описание стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee)

Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) ориентирован главным образом на использование в качестве средства связи между автономными приборами и оборудованием. Стандарт IEEE 802.15.4 определяет параметры физического уровня (PHY) и протокол управления доступом (MAC), предлагая поддержку различных топологий сетей. Ключевые функции PHY включают в себя контроль за энергией и качеством звеньев, а также оценку каналов для более успешного сосуществования с сетями других беспроводных операторов. MAC определяет автоматическое подтверждение получения пакетов, обеспечивает возможность передачи данных в определенные временные интервалы и поддерживает 128-битные функции безопасности AES. Если в пределах досягаемости ZigBee- устройства окажется оборудование Wi-Fi или Bluetooth, их каналы могут быть использованы как туннель для трафика ZigBee. Стандарт IEEE 802.15.4 предусматривает в основном небольшую дальность действия (около 10 метров) и пропускную способность канала (до 250 Кбит/с). Передача на этой скорости ведется в диапазоне 2.4ГГц. Небольшая мощность и скорость обусловлены, малой потребляемой мощностью связываемых устройств. Доступны также диапазоны 858 МГц (20Кбит/с) и 902..928 МГц (40Кбит/с).

Главная особенность стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee) является отсутствие необходимости лицензирования при использовании данных частот.

Построение системы

Используя возможности интерфейса ZigBee при построении различных топологий сетей можно реализовать две схемы взаимодействия между PC производящим отображение и анализ информации и автономными модулями установленными на оружии.

В первом варианте (рис.1) место каждого стрелка оснащается персональным компьютером и принимающим модулем, для взаимодействия с модулем установленным на оружии. Это позволит стрелку в любое время проанализировать результаты своей стрельбы не мешая другим, но цена данного решения будет дороже.

Вариант построения системы “точка-точка”

Рисунок 1. Вариант построения системы "точка-точка"

Второй вариант (рис.2) строится по архитектуре "звезда", где базовая станция последовательно опрашивает все модули. Данное решение наилучшим образом подходит для проведения соревнований.

Вариант построения системы “звезда”

Рисунок 2. Вариант построения системы "звезда"

В качестве базовой станции предлагаем использовать готовое решение на основе OEM модуля сторонних производителей. Себестоимость данных модулей составит от 25 до 30$ без учета необходимых доработок (корпус, источник питания).

Ниже нами предложены два решения по построению модуля устанавливаемого на оружии. Приводится описание, преимущества и недостатки данных решений.

Решение 1

Предлагается строить устройство на основе однокристальной системы, включающей РЧ-приемопередатчик, микроконтроллер и 4-х канальный 10-битный АЦП.

Модуль (рис. 3) будет состоять из:

  • микроконтроллера со встроенным РЧ-приемопередатчиком (либо микроконтроллера и дополнительного чипа РЧ-приемопередатчика);
  • схемы предварительной обработки сигналов с датчиков;
  • интегрированной антенны;
  • схемы батарейного питания.

Решение на базе однокристальной системы

Рисунок 3. Решение на базе однокристальной системы

Конструктивно модуль будет состоять из одной платы для последующей установки в проектируемое устройство.

Преимущества и недостатки решения

Преимущества:

  • одноплатное решение;
  • малые габариты;
  • физические габариты и форма платы с учетом индивидуальных особенностей (для установки в магазин оружия и т.п.);
  • стоимость при массовом производстве ниже, чем в решении 2.

Недостатки:

  • дополнительные временные и финансовые затраты на разработку модуля;
  • сложность отладки и испытаний РЧ-канала.

Решение 2

Решение основывается на использовании готового ZigBee OEM модуля стороннего производителя и дополнительного модуля для согласования с датчиками.

В качестве ZigBee модуля предлагается использовать поставляемые и легко доступные на российском рынке решения для применения в устройствах приемо передачи на расстояние 100 метров и в ценовом диапазоне 20-35 долларов США.

Дополнительный модуль (рис. 4) строится на базе микроконтроллера со встроенным АЦП и UART-интерфейсом (для сопряжения с OEM модулем) и состоит из:

  • микроконтроллера со встроенным АЦП;
  • схемы предварительной обработки сигналов с датчиков;
  • схемы батарейного питания;
  • схемы сопряжения с ОЕМ модулем.

Решение на базе ZigBee OEM-модуля

Рисунок 4. Решение на базе ZigBee OEM-модуля.

Конструктивно модуль будет стыковаться с процессорным модулем, как дополнительная мезонинная плата.

Преимущества и недостатки решения

Преимущества:

  • короткое время разработки;
  • стоимость разработки ниже, чем в Решении 1;
  • используется готовый модуль ZigBee с гарантируемыми техническими характеристиками;
  • надежность радиоканала и возможность сопряжения с другими беспроводными сетями передачи данных.

Недостатки:

  • зависимость от поставщика OEM модуля;
  • цена устройства выше, чем в Решении 1;
  • ограниченность размерами OEM модуля при выборе конструктивного исполнения конечного устройства.