Федеральная целевая программа

Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.577.21.0168

Тема: «Разработка линейки модулей различной модификации для беспроводных сетей в составе систем автоматизации различного применения».

Приоритетное направление: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика; Транспортные и космические системы; Науки о жизни; Индустрия наносистем; Рациональное природопользование; Информационно-телекоммуникационные системы.

Критическая технология: Технологии создания электронной компонентной базы и энергоэффективных световых устройств.

Период выполнения: 27.10.2015 - 31.12.2017

Плановое финансирование проекта: 79.00 млн. руб.

Бюджетные средства 34.00 млн. руб.,

Внебюджетные средства 45.00 млн. руб.

Получатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет".

Участник Консорциума: Общество с ограниченной ответственностью «КГЭУ-метрология».

Участник Консорциума: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ".

Индустриальный партнер: Общество с ограниченной ответственностью "Радиант"

Индустриальный партнер: Общество с ограниченной ответственностью "Торговый Дом "Ферекс".

Ключевые слова: модуль беспроводного интерфейса, линейка модулей, беспроводная сеть, система автоматизации, набор параметров, способ передачи информации, протокол для управления, шлюз, ретранслятор, стек, защита, безопасность, качество

1. Цель проекта

Научно-техническая задача состоит в разработке нового типа модуля беспроводной сети автоматизации процессов, являющегося отечественным аналогом зарубежных решений, с гибкой структурой, основанной на применении разработанных шлюзовых модулей на большое количество протоколов (Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA) и разработки программного обеспечения модулей беспроводной сети автоматизации процессов (БСАП).

Цели реализуемого проекта:

1) Создание семи экспериментальных образцов модулей различной модификации для беспроводных сетей в составе систем автоматизации различного применения.

2) Разработка новых методических и технических решений в области создания сетевых шлюзовых ретрансляторов под различные протоколы - персональных беспроводных сетей (Bluetooth), локальных беспроводных сетей (Wi-Fi), использования линий электропередачи  для передачи данных (PLC), проводных локальных сетей (Ethernet), универсальной последовательной шины (USB), последовательного интерфейса передачи данных (RS-485), передачи данных с использованием инфракрасного диапазона (IrDA) - с целью повышения устойчивости работы БСАП по сравнению с существующими аналогами, а именно устойчивость передачи пакетов данных не более одного ошибочного на 1000 пакетов данных, время самоорганизации не более 15 минут для сети, состоящей из 10 модулей БСАП.

2. Основные результаты проекта

На 1 этапе выполнены следующие работы:

- Проведен анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему разработки и создания модели беспроводного интерфейса.

- Выбраны и обоснованы направления исследований для решения задач по разработке линейки модулей различной модификации для беспроводных сетей в составе систем автоматизации различного применения.

- Обоснованы типы и характеристики разрабатываемых модулей БСАП.

- Разработаны схемные решения для систем питания и управления экспериментального стенда для исследовательских испытаний характеристик экспериментальных образцов модулей БСАП.

- Проведены патентные исследования.

С целью освещения и популяризации проекта посредством информирования научной и широкой общественности о ходе выполнения и результатах ПНИЭР было принято участи в научно-практической конференции по итогам реализации в 2015 году прикладных научных исследований и экспериментальных разработок по приоритетным направлениям в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» в рамках национальной выставки ВУЗПРОМЭКСПО-2015, проходившей 2-4 декабря 2015 г.

Для успешного выполнения поставленных задач к объектам экспериментальных исследований, необходимо на всех этапах работы проводят оценку качества программных средств экспериментальных образов модуля БСАП, исследовать потери пакетов, ошибки и устойчивость передачи пакетов данных, оценку скорости распространения и затухания сигнала, дальности действия, оценку времени жизни БСАП и доставки сообщений, времени самоорганизации, скорости передачи информации, оценку эффективности работы и среднего энергопотребления модулей БСАП.

Экспериментальные образцы модуля (БСАП) должны обеспечивать возможность применения для мониторинга состояний объектов и автоматизации предприятий и общественных зданий, поэтому необходима возможность взаимодействия с протоколами связи Bluetooth, Wi - Fi, PLC, Ethernet, USB, RS - 485, IrDA.

На 2 этапе выполнены следующие работы:

- Разработана платформа универсальной беспроводной сети.

- Разработано частное ТЗ на разработку программного обеспечения для модулей БСАП.

- Разработано программное обеспечение для семи модулей БСАП с возможностью взаимодействия с протоколами связи, такими как: Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA.

- Разработана эскизная конструкторская документация на семь экспериментальных модулей БСАП с возможностью взаимодействия с протоколами связи, такими как: Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA.

- Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд.

- Приобретены материалы, комплектующие, спецоборудование для изготовления экспериментального стенда.

- Изготовлен экспериментальный стенд.

- Разработана программа и методика испытаний экспериментального стенда.

- Проведены испытания экспериментального стенда и проверка его параметров;

- Изготовлены экспериментальные образцы семи модулей БСАП с возможностью взаимодействия с протоколами связи, такими как: Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA.

- Проведены дополнительные патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.

- Проведены мероприятия, направленные на освещение и популяризацию проекта посредством информирования научной и широкой общественности о ходе его выполнения и результатах.

На 3 этапе выполнены следующие работы:

- Разработана методика и программа исследовательских испытаний экспериментальных образцов модулей БСАП.

- Разработан проект ТЗ на проведение ОКР по теме: «Разработка опытных образцов линейки модулей различной модификации для беспроводных сетей в составе систем автоматизации различного применения».

- Проведены анализ и формулировка выводов по результатам исследовательских испытаний экспериментальных образцов линейки модулей различной модификации для беспроводных сетей в составе систем автоматизации различного применения.

- Проведено обобщение и сделаны выводы по результатам ПНИЭР.

- Проведено обобщение и оценка результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработаны рекомендации и предложений по использованию результатов ПНИЭР в дальнейших исследованиях и разработках.

- Оценена полнота решения задачи и достижения поставленных целей ПНИЭР.

- Проведены исследовательские испытания модулей БСАП.

- Разработаны программа и методика испытаний, проведены испытания программного обеспечения экспериментальных образцов модулей БСАП.

- Разработана программная документация на программное обеспечение на экспериментальные образцы модулей БСАП с возможностью взаимодействия с протоколами связи, такими как: Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA.

- Разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации модулей БСАП с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

- Проведены дополнительные патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.

- Проведены мероприятия, направленные на освещение и популяризацию проекта посредством информирования научной и широкой общественности о ходе его выполнения и результатах.

- Создан испытательный полигон на материально-технической базе Получателя субсидии для отладки программного обеспечения модулей БСАП.

- Проведены маркетинговые исследования с целью изучения перспектив коммерциализации результатов интеллектуальной деятельности, полученных при выполнении ПНИЭР.

Экспериментальные образцы модулей БСАП с возможностью взаимодействия с протоколами связи Bluetooth, Wi-Fi, PLC,

Ethernet, USB, RS-485, IrDA предназначены для мониторинга состояний объектов, автоматизации предприятий и общественных зданий путем сбора и передачи информации c внешних датчиков, автоматической ретрансляции передаваемых данных; создания зон сплошного информационного покрытия большой площади с широковещательным доступом ко всем узлам сети.

Для модулей БСАП разработано специальное программное обеспечение, реализующие функции местного и дистанционного управления объектами; самодиагностики модулей БСАП и их каналов связи; возможность настройки оперативным персоналом; функции самовосстановления сети при потере нескольких узлов; функцию самоорганизации сети; возможность ручной настройки топологии сети.

Объем выполненных работ соответствует требованиям Технического задания и перечню работ Плана-графика исполнения обязательств Соглашения №14.577.21.0168 от 27 октября 2015 года.

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

В ходе выполнения ПНИЭР были получены свидетельства о регистрации прав на программы для ЭВМ:

1) Свидетельство о государственной регистрации №2016663935 от 20.12.2016г., Наименование РИД "Программа сбора данных со Smart камер для регулирования уровня освещения в помещении".

2) Свидетельство о государственной регистрации №2017611830 от 09.02.2017г., Наименование РИД "Программа управления светильниками на основе данных со Smart камер".

3) Свидетельство о государственной регистрации №2017616285 от 06.06.2017 г., Наименование РИД "Программа шлюзования беспроводной сети автоматизации процессов".

4) Свидетельство о государственной регистрации №2017616494 от 07.07.2017 г., Наименование РИД "Базовая программа управления беспроводной сети автоматизации процессов".

Публикации:

а) Oleg Gennadievich Savelyev, Ibragim Amirovich Murataev, Marat Ferdinantovich Sadykov and Rinat Shaukatovich Misbakhov, 2016. Application of Wireless Data Transfer Facilities in Overhead Power Lines Diagnostics Tasks. Journal of Engineering and Applied Sciences, 11: 1151-1154.

б) Danil Aleksandrovich Yaroslavsky, Dmitry Alekseevich Ivanov, Marat Ferdinantovich Sadykov, Mikhail Petrovich Goryachev, Oleg Gennadievich Savelyev and Rustam Shaukatovich Misbakhov, 2016. Real-Time Operating Systems for Wireless Modules. Journal of Engineering and Applied Sciences, 11: 1168-1171.

в) Dmitry Alekseevich Ivanov, Marat Ferdinantovich Sadykov, Ibragim Amirovich Murataev, Danil Aleksandrovich Yaroslavsky, Mikhail Petrovich Goryachev, Azat Robertovich Gainutdinov, Anatoly Alekseevich Naumov and Rustam Shaukatovich Misbakhov, 2016. Development of an Automated Lighting Control System Based on Machine Vision and Wireless Communication Channels. Journal of Engineering and Applied Sciences, 11: 2893-2898. DOI: 10.3923/jeasci.2016.2893.2898. URL: http://medwelljournals.com/abstract/?doi=jeasci.2016.2893.2898.

г) Dmitry A. Ivanov, Marat F. Sadykov And Danil A. Yaroslavsky Development the experimental stand for testing of experimental samples of wireless network for process automation module / Journal: IJMET, Volume 8, Issue 12, pp. 899 to 902.

д) Dmitry Alekseevich Ivanov, Danil Aleksandrovich Yaroslavsky, Marat Ferdinantovich Sadykov, Mikhail Petrovich Goryachev And Tatyana Gennadyevna Yambaeva Investigations of topological features of construction an intelligent overhead power transmission line based on wireless sensors / Journal: IJMET, Volume 8, Issue 12, pp. 903 to 908.

е) Danil Aleksandrovich Yaroslavsky, Marat Ferdinantovich Sadykov, Andrey Borisovich Konov, Dmitry Alekseevich Ivanov and Mikhail Petrovich Goryachev, 2017. Methodology of ice coating monitoring on overhead transmission lines considering misalignment using wireless communication channel sensors. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. VOL. 12, NO. 22: 6479-6482.

4. Назначение и область применения результатов проекта

Предлагаемые технические решения, используемые при разработке экспериментальных образцов модулей БСАП с возможностью взаимодействия с протоколами связи Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA предназначены для мониторинга состояний объектов, автоматизации предприятий и общественных зданий путем сбора и передачи информации c внешних датчиков, автоматической ретрансляции передаваемых данных; создания зон сплошного информационного покрытия большой площади с широковещательным доступом ко всем узлам сети. Важное преимущество разрабатываемых модулей – соотношение цены и характеристик модулей БСАП по сравнению с зарубежными аналогами.

5. Эффекты от внедрения результатов проекта

Модули БСАП с возможностью взаимодействия с протоколами связи Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA будут использоваться для мониторинга состояний объектов и автоматизации предприятий и общественных зданий.

Внедрение продукта позволит в системах мониторинга и автоматизации получить адресный доступ к каждому узлу сети; широковещательный доступ ко всем узлам сети; дальность передачи сигнала между соседними устройствами: в помещении – до 100 м, на открытой местности – до 500 м; автоматическая ретрансляция передаваемых данных; создание зон сплошного информационного покрытия большой площади; создание недорогих инструментов автоматизации; бюджетные решения концепции «Умный дом».

Наличие отечественной рентабельной альтернативы зарубежным аналогам позволит существенно повысить долю автоматизированных систем освещения и других технологических процессов и как следствие снизить энергозатраты, а также расширить функциональные возможности.

Создание и внедрение результатов ПНИЭР позволит снизить стоимость использования систем типа «Умный дом» не менее чем на 20%.

6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

Индустриальными партнерами ФГБОУ ВО «КГЭУ» являются ООО «РАДИАНТ» и ООО «ТД «Ферекс» - производители светотехнического оборудования. Формой коммерциализации является патентование результатов ПНИЭР с последующим выпуском продукции на производственных мощностях Индустриальных партнеров. Предприятия ежегодно могут выпускать до 200 тыс. единиц разрабатываемого продукта.

7. Наличие соисполнителей

К работам над проектом привлекались следующие соисполнители:

- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ";

- Общество с ограниченной ответственностью «КГЭУ-метрология»;

- Общество с ограниченной ответственностью "РАДИАНТ" - индустриальный партнер;

- Общество с ограниченной ответственностью "Торговый Дом "Ферекс" - индустриальный партнер.

Работа по созданию модуля беспроводной сети автоматизации процессов под различные протоколы связи выполнены при финансовой поддержке прикладных научных исследований и экспериментальных разработок Министерством образования и науки Российской Федерации по Соглашению №14.577.21.0168 от 27 октября 2015 года, уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57715X0168.