Спеціалізовані засоби на ПЛІС для обробки гетерогенних даних

Актуальність теми. В даний час в системах автоматизації, моніторингу за станом об'єктів все частіше успішно використовується технологія бездротових сенсорних мереж (БСМ). Найбільшого поширення набули стаціонарні бездротові сенсорні мережі, для яких характерне їх фіксований стан в процесі роботи. Останнім часом в сенсорних мережах активно розвивається напрямок, пов'язаний з використанням для них автономних джерел живлення на базі альтернативних джерел енергії. Об’єктом дослідження є бездротова сенсорна мережа збору даних. Предметом дослідження є метод і спосіб балансування бездротової сенсорної мережі збору даних на основі ПЛІС. Мета роботи полягає в огляді і аналізі балансування бездротової сенсорної мережі збору даних на основі ПЛІС, розробці бездротової сенсорної мережі та забезпеченні енергозбереження БСМ. Методи дослідження. Для реалізації мети дослідження і вирішення поставлених завдань будуть використані наступні наукові методи і підходи: методи системного аналізу, моделювання, методи дискретного програмування. Наукова новизна: - розроблено та досліджено спосіб балансування бездротової сенсорної мережі збору даних на основі ПЛІС, що дозволяє вирішувати практичні завдання, в тому числі і завдання великої розмірності; - розроблено та досліджено метод енергетичного балансування бездротової сенсорної мережі, що зменшує енергоспоживання вузлів мережі і збільшує тривалість безперервної роботи такої мережі. Практична цінність отриманих в роботі результатів полягає в тому, що запропонована реалізація бездротової сенсорної мережі може використовуватися для системи моніторингу радіочастотного спектра і радіоелектронних засобів і супровід електронних інформаційних ресурсів та інформаційних систем, що можуть тривалий час працювати без заміни джерела живлення. Апробація роботи. Результати роботи пройшли апробацію або знаходяться на стадії публікації на конференціях: - XI конференція молодих вчених «Прикладна математика та комп’ютинг» ПМК-2018-2; - IV Міжнародна науково-технічна Internet-конференція «Сучасні методи, інформаційне, програмне та технічне забезпечення систем керування організаційно-технічними та технологічними комплексами; Результати роботи опубліковані в 3 наукових працях, з яких 3 – тези доповідей. Структура та обсяг роботи. Магістерська дисертація складається з вступу, п’ятьох розділів, висновків та додатків. У вступі надано загальну характеристику роботи, виконано оцінку сучасного стану проблеми, обґрунтовано актуальність напрямку досліджень. У першому розділі розглянуті загальні відомості про бездротові сенсорні мережі, методи маршрутизації, агрегація даних, забезпечення надійної передачі даних БСМ, система моніторингу на базі БСМ та функціональне призначення БСМ. У другому розділі надані загальні відомості про ПЛІС, обґрунтування вибору ПЛІС, та порівняння ПЛІС з іншими мікросхемами. У третьому розділі надано огляд архітектури FPGA, логіка об’єднання структури, розширення логіки FPGA. У четвертому розділі надана інформація про сімейство ПЛІС - Spartan-3AN, були розглянуті архітектурні особливості, конфігурації, маркування упаковки, вимоги до програмного забезпечення. У п’ятому розділі надана інформація про оцінку БСМ, розглянута структура створеного прийомопердавача, який був оптимізований, для більш тривалої безвідмовної роботи, проведені експериментальні дослідження БСМ. У висновках надана інформація про отримані результати і короткий опис всієї пройденої роботи, що була обговорена в попередніх розділах. Робота виконана на 86 аркушах, містить 4 додатків та посилання на список використаних літературних джерел з 24 найменувань. У роботі наведено 29 рисунків та 8 таблиць. ; Relevance of the topic. At present, the technology of wireless sensor networks (WSN) is increasingly being successfully used in automation systems and monitoring the state of objects. The most widespread stationary wireless sensor networks, which are characterized by their fixed state in the process. Recently, a trend has been actively developing in sensor networks related to the use of autonomous power sources for them based on alternative energy sources. The object of the research is a wireless sensor network data collection. The subject of research is the method and method of balancing a wireless sensor network data acquisition based on FPGA. The purpose of the work is to inspect and analyze the balancing of the FPGA-based wireless sensor network data collection, develop a wireless sensor network and ensure energy-saving base stations. Research methods. To achieve the goal of the research and solve the set tasks, the following scientific methods and approaches will be used: methods of system analysis, modeling, and methods of discrete programming. Scientific novelty: - a method of balancing a wireless FPGA-based sensor network has been developed and investigated, which allows solving practical tasks, including large-scale tasks; - method of energy balancing a wireless sensor network has been developed and investigated, reduces the power consumption of network nodes and increases the duration of the continuous operation of such a network. The practical value of the results obtained in the work lies in the fact that the proposed implementation of a wireless sensor network can be used for monitoring the radio frequency spectrum and radio electronic means and tracking electronic information resources and information systems that can work for a long time without changing the power source. Approbation of work. The results of the work have been tested or are being published at conferences: - XI Conference of Young Scientists "Applied Mathematics and Computing" PMK-2018-2; - IV International Scientific and Technical Internet-Conference “Modern Methods, Information, Software and Technical Support of Management Systems for Organizational, Technical and Technological Complexes; The results of the work are published in 3 scientific papers, of which 3 are theses of the reports. Structure and scope of work. The master thesis consists of introduction, five chapters, conclusion and applications. In the introduction, a general description of the work is given, the current state of the problem is assessed, and the relevance of the research direction is substantiated. The first section covers general information about wireless sensor networks, routing methods, data aggregation, ensuring reliable WSN data transmission, a monitoring system based on the WSN, and the functionality of the WSM. The second section provides general information about the FPGA, the rationale for the selection of the FPGA, and the comparison of the FPGA with other chips. The third section provides an overview of the architecture of FPGA, the logic of combining the structure, the extension of the logic of FPGA. The fourth section provides information about the FPGA family - Spartan-3AN, architectural features, configurations, packaging marking, software requirements were considered. The fifth section provides information on the evaluation of the WSN, reviewed the structure of the created receiver, which was optimized for longer uptime, conducted experimental studies of the WSN. The appendices provide information on the results obtained and a brief description of all the work done, which was discussed in previous chapters. The work was done on 86 pages, contains 4 annexes and references to the list of references used from 24 titles. The work contains 29 figures and 8 tables. ; Актуальность темы. Сейчас в системах автоматизации мониторинга за состоянием объектов очень часто использует технологии беспроводных сенсорных сетей (БСС). Самыми распространенными беспроводными сенсорными сетями, есть сети, для которых характерно их фиксированный состояние во время выполнения работы. В сенсорных сетях, сейчас, активно набивает развитие такое направление, что связано с использованием автономных источников питания для длительного процесса работы. Объектом исследования есть беспроводная сенсорная сеть обработки и сбора данных. Предметом исследования есть способ и метод балансировки беспроводной сенсорной сети обработки и сбора данных на основе ПЛИС. Цель работы заключается в разработке беспроводной сенсорной сети, анализе и осмотре балансировки беспроводной сенсорной сети обработки и сбора данных на основе ПЛИС, и обеспечении энергосбережения БСС. Методы исследования. Для того чтобы реализовать цели решения поставленных задач данного исследования будут использованы такие методы как: моделирования, методы дискретного программирования, методы системного анализа. Научная новизна: - были исследованы и разработаны способы балансировки беспроводной сенсорной сети обработки и сбора данных на основе ПЛИС, что позволило решить практические задачи, а также задачи с большой размерностью; - были исследованы и разработаны методы энергетической балансировки беспроводной сенсорной сети, что позволило значительно уменьшить затраты энергопотребление узлов сети и при этом продолжительность непрерывной работы сети увеличилось. Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в том, что предложенная реализация беспроводной сенсорной сети может использоваться для системы мониторинга, а также обработки и сбора данных информационных систем, которые могут длительное время работать без замены источника питания. Апробация работы. Результаты работы прошли апробацию или находятся на стадии публикации на конференциях: - XI конференция молодых ученых «Прикладная математика и компьютинг» ПМК-2018-2; - IV Международная научно-техническая Internet-конференция «Современные методы, информационное, программное и техническое обеспечение систем управления организационно-техническими и технологическими комплексами; Результаты работы опубликованы в 3 научных работах, из которых 3 - тезисы докладов. Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Во введении дано общая характеристика работы, выполнена оценка современного состояния проблемы, обоснована актуальность направления исследований. В первом разделе рассмотрены общие сведения о беспроводных сенсорных сетях, методы маршрутизации, агрегация данных, обеспечения надежной передачи данных БСС, система мониторинга на базе БСС и функциональное назначение БСС. Во втором разделе предоставлены общие сведения о ПЛИС, обоснование выбора ПЛИС, и сравнения ПЛИС с другими микросхемами. В третьем разделе дан обзор архитектуры FPGA, логика объединения структуры, расширение логики FPGA. В четвертом разделе представлена информация о семействе ПЛИС - Spartan-3AN, были рассмотрены архитектурные особенности, конфигурации, маркировка упаковки, требования к программному обеспечению. В пятом разделе предоставлена информация об оценке БСС, рассмотрена структура созданного прийомопердавача, который был оптимизирован для более длительной безотказной работы, проведены экспериментальные исследования БСС. В выводах предоставлена информация о полученных результатах и краткое описание всей пройденной работы, которая была обсуждена в предыдущих главах. Работа выполнена на 86 листах, содержит 4 приложений и ссылки на список использованных литературных источников из 24 наименований. В работе приведены 29 рисунков и 8 таблиц.