ПЗ

Содержание
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................5
1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ ..............................................................................6
1.1 Технология RFID ...................................................................................................................6
1.2 Классификация RFID-систем ...............................................................................................7
1.3 Обзор существующих аналогов .........................................................................................15
2 СТРУКТУРНОЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ...................................20
2.1 Структурное проектирование ............................................................................................20
2.2 Функциональное проектирование .....................................................................................21
3 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ................................................................24
3.1 Ридер SparkFun Simultaneous RFID Reader - M6E Nano .................................................24
3.2 Блок управления ..................................................................................................................28
3.3 Периферийные устройства.................................................................................................31
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ .........................................................34
4.1 Выбор среды программирования ......................................................................................34
4.2 Разработка программы для Arduino Uno ..........................................................................35
4.3 Разработка программы для SparkFun Simultaneous RFID Reader - M6E Nano..............39
5 РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ................................................................41
5.1 Расчёт полной себестоимости программного продукта..................................................41
5.2 Расчёт цены и прибыли электронного устройства ..........................................................44
6 ОХРАНА ТРУДА, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ...48
6.1 Управление природопользованием в Республике Беларусь в системе мер по охране
окружающей среды ..................................................................................................................47
6.2 Экологическая оценка электромагнитных полей радиочастотного диапазона ............52
6.3 Энергосбережение при проектировании систем радиоэлектронной связи,
радиовещания и телевидения...................................................................................................56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................................................................65
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ......................66
БрГТУ.141125.007 ПЗ
Изм Лист № докум.
Разраб.
Потройный М. В.
Проверил
Мешечек Н.Н
Н контр.
Разумейчик В. С.
Утв.
Дереченник С. С.
Подп.
Дата
Лит
ПОРТАТИВНЫЙ АКТИВНОПАССИВНЫЙ ЛОКАТОР
РАДИОМЕТОК
Пояснительная записка
Д
Лист
4
Листов
65
кафедра ЭВМиС
группа Э-52
ВВЕДЕНИЕ
С развитием технологий широкое развитие получили методы идентификации.
Идентификация – процедура, в результате выполнения которой для субъекта
идентификации выявляется его идентификатор, однозначно идентифицирующий этого
субъекта в информационной системе. Для выполнения процедуры идентификации
в информационной системе субъекту предварительно должен быть назначен
соответствующий идентификатор (то есть проведена регистрация субъекта
в информационной системе).
На сегодняшний день, популярностью пользуются три вида идентификаторов:
штриховой код, QR-код, RFID. Первые два идентификатора содержат информацию
в графическом виде. Идентификация объектов происходит при считывании сканером
этой информации. При этом идентификатор должен быть в прямой видимости сканера.
Продолжением развития этих идентификаторов является RFID – радиочастотная
идентификация. Для радиочастотной идентификации на предмет крепится RFID-метка,
передающая данные считывающему устройству. Для данного метода идентификации
не нужна прямая видимость самой метки.
Целью дипломного проекта является разработка устройства для поиска личных
вещей, оснащённых RFID-метками. Поиск осуществляется по заданному
идентификатору. Ввод идентификатора в устройство будет осуществляться с клавиатуры,
после чего будет осуществляться поиск заданной метки. При приближении устройства
к метке оно должно издавать звук (чем ближе, тем интенсивнее).
В настоящий момент производятся устройства для поиска RFID-меток, но они
выполняют значительно большее число функций. Эти устройства продаются по высокой
цене. Стоимость начинается от 700 долларов США. Основные производители: Zebra,
CiperLab, MobileBase.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
5
1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Целью дипломного проекта является разработка устройства для поиска личный
вещей, оснащённых RFID-метками. Для того, чтобы разработать устройство необходимо
изучить технологию RFID, осуществить обзор аналогичных устройств. Для обеспечения
работы устройства недостаточно лишь спроектировать это устройство. Нужно написать
программу, которая будет соответствовать поставленной задаче.
1.1 Технология RFID
Радиочастотная идентификация (RFID) – это современная технология, используя
которую, информация необходимая для уникальной идентификации конкретного
объекта, дистанционно записывается или считываются с наклеенной или встроенной
в объект метки, с помощью радиоволн.
В технологии радиочастотной идентификации (radio frequency identification –
RFID) используются радиоволны для автоматической идентификации физических
объектов (как живых существ, так и неодушевленных предметов). Следовательно,
диапазон объектов, которые могут идентифицироваться с помощью RFID, охватывает
практически все на планете (и за ее пределами). Таким образом, RFID является
примером технологии автоматической идентификации (automatic identification – AutoID), с помощью которой можно идентифицировать физический объект. Другие примеры
Auto-ID – это штрих коды, биометрические методы (например, использование
отпечатков пальцев и сканирование сетчатки глаза), идентификация голоса и системы
оптического распознавания символов (optical character recognition – OCR).
Классификация типов частот RFID выглядит следующим образом:
 низкие частоты (НЧ);
 высокие частоты (ВЧ);
 ультравысокие частоты (УВЧ);
 микроволновые частоты.
Низкими считаются частоты между 30 и 300 кГц, и в системах RFID обычно
используются частоты в диапазоне от 125 до 134 кГц. Типичная НЧ RFID-система
работает на частоте 125 кГц. В RFID-системах, работающих на низких частотах, обычно
используются пассивные метки. Данные от метки к считывателю передаются с низкими
скоростями, и они особенно хорошо подходят для рабочей среды, содержащей металлы,
жидкости, различные виды загрязнений и снег (это очень важная характеристика НЧсистем). Изготовителями также поставляются активные НЧ-метки. Вследствие того, что
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
6
эти частоты использовались для RFID с самого начала внедрения технологии, системы
с НЧ-метками, возможно, имеют самое большое количество внедренных реализаций.
НЧ-диапазон принят во всемирном масштабе.
Высокие частоты (ВЧ) находятся в диапазоне от 3 до 30 МГц, и типичной
частотой, используемой в ВЧ RFID-системах, является 13,56 МГц. В типичной ВЧ RFIDсистеме используются пассивные метки. Данные от метки к считывателю передаются
с низкой скоростью и обеспечиваются хорошие рабочие характеристики в присутствии
металлов и жидкостей. ВЧ-диапазон принят во всемирном масштабе.
Ультравысокие частоты (УВЧ) находятся в диапазоне от 300 МГц до 1 ГГц.
Типичная пассивная УВЧ RFID-система работает на частотах 915 МГц в Соединенных
Штатах и 868 МГц в Европе. Типичная активная УВЧ RFID-система работает
на частотах 315 и 433 МГц. Следовательно, в УВЧ-системе могут использоваться как
активные, так и пассивные метки. Данные между меткой и считывателем передаются
с высокой скоростью, но не обеспечиваются высокие характеристики в присутствии
металлов и жидкостей (правда, не на нижних частотах УВЧ-диапазона 315 и 433 МГц).
УВЧ-диапазон не принят во всемирном масштабе.
Микроволновые частоты находятся в диапазоне свыше 1 ГГц. Типичная
микроволновая RFID-система работает либо на 2,45, либо на 5,8 ГГц, (хотя первая
из частот более распространена). В ней могут использоваться как активные, так
и полуактивные метки. Данные между меткой и ридером передаются с самой высокой
скоростью и обеспечиваются самые низкие рабочие характеристики в присутствии
металлов и жидкостей. Вследствие того, что длина антенны обратно пропорциональна
частоте, антенна пассивной метки, работающей в микроволновом диапазоне, имеет
самую малую длину (что ведет к малому размеру метки, поскольку микрочип метки
также может изготовляться очень малого размера). Частотный диапазон 2,4 ГГц
называется промышленным, научным и медицинским диапазоном (Industry Scientific and
Medical - ISM) и принят во всемирном масштабе.[1]
1.2 Классификация компонентов RFID-систем
RFID-система – это составляющий единое целое набор компонентов,
реализующий какое-либо RFID-решение. RFID-система состоит из следующих
компонентов:
 метки (обязательный компонент любой RFID-системы);
 ридер (также обязательный компонент);
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
7
 антенны ридера (еще один обязательный компонент). Некоторые ридеры,
выпускаемые в настоящее время, имеют встроенную антенну;
 контроллер (обязательный компонент, встраивается в большинство ридеров
нового поколения);
 датчика, исполнительного и оповещающего устройства. Эти дополнительные
устройства используются для ввода и вывода внешних сигналов;
 системы хост-компьютера и программного обеспечения (ПО). Теоретически
RFID-система может функционировать независимо от данного компонента. На практике,
без него RFID-система становится почти бесполезной;
 коммуникационная инфраструктура. Этот обязательный компонент объединяет
в себе как проводную, так и беспроводную сеть, и инфраструктуру последовательных
соединений, которые нужны для взаимной связи ранее перечисленных компонентов
и эффективного информационного обмена между собой.
Метка (tag) RFID – это устройство, способное хранить данные и передавать их
ридеру бесконтактным способом с помощью радиоволн. По наличию в метке
встроенного источника питания и/или возможности поддержки специализированных
задач:
 пассивные;
 активные;
 полуактивные (также называемые полупассивными).
Пассивная RFID-метка не содержит встроенного источника питания (например,
батарею) и вместо этого для своего питания и передачи данных ридеру использует энергию, излучаемую ридером. Пассивная метка конструктивно проста и не содержит
движущихся частей. В результате такая метка имеет большой срок службы и в общем
случае хорошо выдерживает жесткие условия окружающей среды. Например, некоторые
пассивные метки могут сопротивляться таким коррозионным химическим веществам,
как кислоты, и нагреву свыше 200 °C. При обмене информацией в направлении от метки
к ридеру первым инициирует связь ридер, а затем обмен осуществляет метка.
Для передачи данных такими метками обязательно наличие ридера. Пассивная метка,
как правило, меньше активной или полуактивной метки. Значение расстояния
считывания у нее может быть самым различным – от нескольких сантиметров
до 10 метров. Стоимость пассивной метки также в общем случае меньше, чем
у активной или полуактивной метки. Бесконтактная смарт-карта является особым типом
пассивной RFID-метки и используется сегодня в различных областях (например,
в качестве жетонов-удостоверений в системах безопасности и карточек покупателей
в системах розничной торговли). Данные, хранящиеся на такой карте, считываются
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
8
в непосредственной близости от ридера. Для считывания не нужно, чтобы карта была
в физическом контакте с ридером. Пассивная метка состоит из следующих основных
компонентов:
 микрочип;
 антенна.
Устройство управления питанием преобразует напряжение переменного тока,
получаемое от сигнала с антенны ридера, в питающее напряжение постоянного тока. Это
устройство подает питание на остальные компоненты микрочипа. Выделитель тактовой
частоты извлекает тактовый сигнал из сигнала, получаемого от антенны ридера.
Модулятор модулирует получаемый от ридера сигнал. В модулированный сигнал
вводится ответ метки, и этот сигнал затем передается обратно ридеру. Логическая схема
отвечает за реализацию протокола информационного обмена между меткой и ридером.
Для хранения данных используется память микрочипа.
В общем случае память разбита на сегменты (т. е. состоит из нескольких блоков
или полей). Адресуемость означает способность обратиться (т. е. прочитать или записать
информацию) к отдельным участкам памяти микрочипа. Блок памяти метки может
содержать данные различных типов, например, порцию идентификационных данных
отмеченного объекта, разряды контрольной суммы (например, циклический избыточный
код - CRC) для проверки точности передаваемых данных и т. д. Последние технические
достижения позволяют сделать микрочипы размером с песчинку. Но физические
размеры метки определяются не величиной микрочипа, а расположением и размером ее
антенны.
Антенна метки используется для извлечения энергии, питающей метку, из сигнала
ридера и приема-передачи данных между меткой и ридером. Эта антенна физически
прикреплена к микрочипу. Центральным для работы метки параметром является
геометрия антенны. Возможны бесчисленные конструкции антенн, особенно для УВЧдиапазона, и их проектирование является настолько же искусством, как и наукой. Длина
антенны прямо пропорциональна рабочей длине волны метки. Дипольная антенна
состоит из прямолинейного отрезка проводника (например, из меди) с разрывом
посередине. Общая длина дипольной антенны, оптимально передающей энергию
сигнала, получаемого с антенны ридера, равна половине длины волны используемой
частоты. Двойная дипольная антенна состоит из двух диполей и значительно уменьшает
чувствительность метки к ориентации. В результате этого ридер может читать такую
метку под различными углами. Петлевой диполь состоит из двух и более параллельно
соединенных прямолинейных проводников, каждый длиной в половину волны (используемой частоты). Если он содержит два проводника, то получается двухпроводной
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
9
петлевой диполь; трёхпроводной петлевой диполь состоит из трех параллельно
соединенных проводников.
Размеры антенны метки значительно превышает размеры микрочипа метки и,
следовательно,
является
главным
параметром,
определяющим
физические
характеристики метки. На выбор конструкции антенны оказывают влияние следующие
факторы:
 расстояние считывания между меткой и ридером;
 известная ориентация метки относительно ридера;
 произвольная ориентация метки относительно ридера;
 размер и материал маркируемой продукции;
 скорость движения маркируемого объекта;
 особые условия работы (окружающей среды);
 поляризация антенны ридера.
Точки соединения микрочипа метки и ее антенны являются самыми слабыми
местами метки. Если повреждается любая из этих точек соединения, то метка перестает
работать или значительно ухудшает свои рабочие характеристики. Антенна,
предназначенная для конкретной задачи (например, отметка упаковочного ящика), может
плохо выполнять другую задачу (например, отметка отдельного предмета в ящике).
Произвольное изменение геометрии антенны, как правило, приводит к плохим
результатам, так как метка теряет настройку и оптимальные рабочие характеристики.
В настоящее время большинство антенн меток изготовляется из тонкой
металлической полоски (например, медной, серебряной или алюминиевой). Однако
в будущем, возможно, антенны будут печатать непосредственно на поверхности метки
или на упаковочной таре токопроводящими чернилами, содержащими медь, углерод или
никель. Также предпринимаются попытки определить возможность печатания
микрочипа с помощью подобных чернил. Такие усовершенствования в будущем могут
позволить вам печатать RFID-метку, как это делается со штрих кодом на ящике
или упаковке отдельных предметов. В результате этого стоимость RFID-метки может
стать значительно ниже намеченных 5 центов США за метку.
Даже в отсутствие возможности печатать микрочип наносимая печатным
способом антенна может присоединяться к микрочипу для получения полной RFIDметки значительно быстрее, чем металлическая антенна.
В активных RFID-метках имеется внутренний источник питания (например –
химическая батарея, но возможны и другие источники – такие, как солнечная батарея)
и электроника для выполнения специализированных задач. В активной метке
используется свой внутренний источник питания для передачи данных метки ридеру.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
10
Для передачи данных не требуется излучаемой ридером энергии. Встроенная
электроника может содержать микропроцессоры, датчики и порты ввода-вывода,
получающие питание от внутреннего источника. Поэтому, например, такие компоненты
могут измерять температуру окружающей среды и вырабатывать информацию о средней
температуре. Эти компоненты затем могут использовать полученную информацию для
определения других параметров - скажем, срока годности товара, на котором они
находятся. Затем метка может передавать эту информацию ридеру (вместе со своим
уникальным идентификатором). Активную метку можно представить, как компьютер
с беспроводной связью, обладающий дополнительными свойствами (характерными,
например, для датчика или набора датчиков).
В обмене информацией от метки к ридеру при таком типе метки связь всегда
инициируется меткой с последующим участием ридера. Так как для передачи данных
присутствие ридера не является обязательным, то активная метка может транслировать
данные в окружающую среду даже при отсутствии ридера. Активная метка такого типа,
непрерывно передающая данные при наличии ридера и при его отсутствии, также
называется передатчиком. В другом типе активной метки предусмотрен переход
в спящее состояние, или состояние малой мощности, если нет запроса от ридера. Ридер
выводит такую метку из спящего состояния, посылая соответствующую команду. Такое
состояние экономит энергию батареи, и поэтому метка такого типа, как правило, имеет
более продолжительный срок службы по сравнению с активной меткой-передатчиком.
Кроме того, так как метка ведет передачу только при запросе, то уровень
радиочастотных помех в окружающей ее среде снижается. Этот тип активной метки
называется передатчиком-приемником (или приемопередатчиком). Расстояние
считывания активной метки может составлять 30 метров и более при использовании
активного передатчика такой метки. Активная метка состоит из следующих
компонентов:
 Микрочип. – размеры и функциональные возможности микропроцессора обычно
превышают подобные параметры микрочипов пассивных меток;
 Антенна. – она может иметь вид радиочастотного модуля, который может
передавать сигналы метки и принимать в ответ сигналы ридера. В полуактивной метке
она состоит из тонкой полоски (полосок) металла (например, меди) и подобна антенне
пассивной метки;
 Внутренний источник питания;
 Внутренняя электроника.
В полуактивных метках имеется внутренний источник питания (например,
батарея) и электроника для выполнения специализированных задач. Внутренний
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
11
источник питания дает энергию для работы метки. Однако для передачи своих данных
полуактивная метка использует энергию, излучаемую ридером. Полуактивная метка
также называется меткой со вспомогательной батареей. Обмен информацией между
ридером и меткой такого типа всегда инициирует ридер, а затем начинает работу метка.
Классификация меток по способности поддерживать перезапись данных:
 только с чтением (read-only - RO).
 с однократной записью и многократным чтением (write once read many - WORM).
 с многократной перезаписью (read-write - RW).
 метки SAW-типа.
Метка RO-типа может быть запрограммирована (т. е. записана) только один раз
в своем жизненном цикле. Данные заносятся в метку постоянным образом в заводских
условиях только на этапе ее изготовления. Для этого в микрочип метки с помощью
тонкого лазерного луча пережигаются отдельные плавкие перемычки. После того как это
сделано, данные нельзя будет перезаписать в течение всего срока службы метки. Метки
такого типа также называются метками с заводским программированием. Изготовитель
метки вводит в метку данные, и пользователь метки, как правило, не может оказывать
на них никакого влияния. Такие метки хорошо подходят для ограниченного
использования, но от них мало пользы на больших предприятиях или в условиях, когда
данные необходимо приспосабливать к конкретной области применения.
Метка WORM-типа может быть запрограммирована (записана) однократно, и это
делается обычно не изготовителем, а пользователем метки в то время, когда необходимо
создать метку. Тем не менее, на практике для исправления ошибок при такой записи
допускается возможность перезаписи некоторых типов WORM-меток (нередко
встречается возможность перезаписи до 100 раз). Если данные для такой метки
перезаписываются более разрешенного количества раз, то метка может получить
необратимое повреждение. Метка WORM-типа также называется меткой
с эксплуатационным программированием.
Метка RW-типа может быть перепрограммирована (перезаписана) большое
количество раз. Обычно это число варьируется от 10 000 до 100 000 раз и более! Такая
способность перезаписи дает огромное преимущество, так как данные могут
перезаписываться либо ридерами, либо самой меткой (в случае активной метки). В метке
RW-типа обычно содержится устройство памяти Flash или EEPROM-типа. RW-метка
также
называется
меткой
с
эксплуатационным
программированием
или
перепрограммируемой меткой. Для меток этого типа возможно решение задачи –
обеспечение безопасности хранения информации. Такая метка обеспечивает хорошее
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
12
соотношение цены и рабочих характеристик, приемлемую безопасность данных
и является наиболее распространенным типом метки.
Метки SAW-типа, работающие на принципе поверхностной акустической волны
(surface acoustic wave - SAW). Метка SAW-типа в корне отличается от меток на основе
микрочипов. SAW-метки уже стали появляться на рынке и могут широко использоваться
в будущем. В настоящее время устройства SAW широко применяются в сотовых
телефонах, цветных телевизорах и т. д. Для работы меток SAW-типа используются
радиоволны малой мощности в частотном диапазоне 2,45 ГГц. В отличие от меток
с микрочипами SAW-метке не нужен источник постоянного тока для ее питания при
передаче данных.
SAW-метка состоит из дипольной антенны, присоединенной к встречноштыревому преобразователю (interdigital transducer - IDT), расположенному
на пьезоэлектрической подложке из ниобата лития или танталата лития. На подложке
в точно рассчитанных местах расположены отдельные электроды, действующие как
рефлекторы, изготовленные из алюминия или вытравленные на подложке. Антенна
после приема радиочастотного сигнала от SAW-ридера подает электрический импульс на
IDT. Этот импульс генерирует поверхностные волны, также называемые волнами Рэлея,
и эти волны обычно проходят по подложке со скоростью от 3000 до 4000 м/с. Часть этих
волн отражается рефлекторами обратно в IDT, а остальная часть поглощается
подложкой. Отраженные волны образуют уникальную структуру, определяемую
позициями рефлекторов и представляющую собой данные метки. Эти волны
преобразуются в IDT обратно в радиосигнал и передаются через антенну метки назад
RFID-ридеру. Затем ридер декодирует принятый сигнал и извлекает данные метки.
SAW-метка имеет следующие преимущества:
 очень малое потребление энергии, так как ей не нужен источник постоянного тока
для своего питания;
 с ее помощью можно с хорошими результатами отмечать радионепрозрачные и
радиопоглощающие материалы, например, металл и воду соответственно;
 большее расстояние чтения, чем у метки с микрочипом, работающей в том же
частотном диапазоне (т. е. 2,45 ГГц);
 может работать с более короткими пачками радиосигналов в отличие от меток
на микрочипах, требующих более продолжительного сигнала от ридера к метке;
 высокие степени точности чтения;
 большая прочность вследствие простоты конструкции;
 не требует применения антиколлизионных протоколов;
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
13
 антиколлизионные протоколы необходимо реализовывать только на уровне ридера
в отличие от меток с микрочипами, для которых такие протоколы нужны как на уровне
ридера, так и на уровне метки (это снижает стоимость SAW-метки);
 SAW-ридеры менее подвержены влиянию помех от других SAW-ридеров;
 SAW-метки могут, скорее всего, оказаться единственным вариантом
в определенных ситуациях нанесения меток, и вероятно получат широкое
распространение в будущем.
RFID-ридер, называемый также устройством опроса, является прибором,
способным читать данные из совместимой с ним RFID-метки и записывать в нее данные.
Таким образом, читающее устройство-ридер является также и записывающим
устройством. Действие по записи данных метки ридером называется созданием метки.
Процесс создания метки и уникального связывания ее с объектом называется вводом
метки в эксплуатацию. Таким же образом вывод метки из эксплуатации означает
аннулирование связи метки с отмечаемым объектом и, как вариант, ее уничтожение.
Время, в течение которого ридер может излучать радиочастотную энергию для
считывания метки, называется рабочим циклом ридера. Значения рабочих циклов
ридеров ограничиваются международными нормативами. Установление связи с ридером
и управление им является наиболее важной задачей любого объекта, которому
необходимо взаимодействовать с этим аппаратным компонентом. Ридер состоит
из следующих основных частей:
 передатчика;
 приемника;
 микропроцессора;
 памяти;
 каналов ввода-вывода для внешних датчиков, исполнительных и оповещающих
устройств (хотя, строго говоря, эти компоненты и являются необязательными, но они
почти всегда присутствуют в серийно выпускаемых ридерах);
 контроллера (который может быть выполнен в виде внешнего компонента);
 интерфейса связи;
 источника питания.
Ридер осуществляет связь с меткой через антенну – отдельное устройство,
физически присоединенное к одному из антенных портов ридера. Антенна ридера также
называется элементом связи, потому что она создает электромагнитное поле для связи
с меткой. Антенна транслирует радиосигнал передатчика в окружающую среду
и принимает ответные сигналы метки как компонент ридера. Следовательно, правильное
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
14
расположение этих антенн, а не самого считывателя является более существенным
для высокой точности чтения (хотя ридер и должен располагаться где-то поблизости
от антенны из-за ограничений длины антенного кабеля). Кроме того, некоторые
стационарные ридеры могут иметь встроенные антенны. В результате для данного
случая расположение самого ридера равносильно расположению антенн. [2]
1.3 Обзор существующих аналогов
На данный момент производятся устройства для считывания RFID-меток. Поиск
метки по её идентификатору – это лишь одна из немногих возможностей таких
устройств. Рассмотрим эти устройства.
Ручной мобильный компьютер Zebra MC9000-G обеспечивает считывание и
обработку всего спектра данных – от RFID-меток и штрих-кодов до изображений.
Идеален для использования в местах, недоступных для стационарных считывателей
RFID.
Рисунок 1.1 – Считыватель Zebra MC9090-G
Особенности Zebra MC9090-G:
 Единое многорежимное устройство, способное считывать одномерные и
двухмерные штрихкоды, RFID-метки и изображения;
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
15
 Поддержка EPC Gen 2 и DRMПростое внедрение технологии RFID в цепочки
снабжения;
 Прошел самые строгие в отрасли испытания на ударопрочность. Защищен
от влаги и пыли по стандарту IP64, имеет встроенные антенны;
 Соответствие всем известным стандартам поставляется в разных конфигурациях,
соответствующих различным мировым стандартам;
 Качественная беспроводная связь передача данных в режиме реального времени
с помощью встроенного модуля 802.11 a/b/g;
 Максимально быстрая окупаемость капиталовложений в разработку ПО Windows
Mobile 5.0 – усовершенствованная мобильная операционная система, обеспечивающая
надежную работу приложений (как ПО для Windows, так и специализированных
программ);
 Энергонезависимое хранение данных и поддержка мультимедийных приложений
Процессор Intel XScale PXA270 с частотой 624 МГц и усовершенствованная архитектура
памяти обеспечивают сохранность важных данных;
 Данные легко читаются в различных условиях освещения. Большой QVGA-экран:
исключительная четкость и контрастность изображения;
 Встроенная направленная антенна (луч шириной 70°, направленный вперед)
Позволяет считывать только нужные метки;
 Привычные программные инструменты API (Интерфейс программирования
приложений) для Microsoft® Windows® CE.NET 4.2 и Windows Mobile 5.0 упрощает
процесс и сокращает время разработки программ с поддержкой RFID на терминалах
сбора данных.[3]
Таблица 1.1 – Технические характеристики считывателя Zebra MC9090-G
Операционная система
Microsoft Windows Mobile 5.0 Premium
Память (флэш-ПЗУ / ОЗУ)
64 МБ / 128 МБ
Клавиатура
53 кнопки
эмуляция терминала (5250, 3270, VT)
Номинальное расстояние
считывания
От 6,09 см до 304,8 см (Фактическое
расстояние чтения и записи определяется
типом используемой метки)
Частотный диапазон
США: 902–928 МГц; Европа: 869,5 МГц
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
16
MobileBase DS5 RFID был создан на базе одноимённого терминала MobileBase
DS5 и сохраняет все его технические преимущества. В данной модели учтены все
потребности пользователя: идеальная эргономика, позволяющая работать с терминалом
одной рукой, большой дисплей 4.3 дюйма с высоким разрешением, высокая степень
защиты от пыли и влаги IP67, возможность смены клавиатуры.
Таблица 1.2 – Технические характеристики считывателя MobileBase DS5 RFID
Операционная система
Windows Embedded CE6.0, Windows Embedded
Handheld 6.5
Процессор
ARM Cortex A8 1Gh
Память
512MB/1GB
Клавиатура
34 цифровая (F1~F10 программируемые), 54
цифровые и буквенные
Номинальное расстояние
считывания
Не более 10м
Частотный диапазон
917.3 MHz – 920.3 MHz (Корея)
860 MHz – 960 MHz (настраиваемая)
Рисунок 1.2 – Считыватель Zebra MobileBase DS5 RFID
Небольшой вес терминала позволяет оператору без труда отработать
полноценную смену с устройством в руках. Эргономика DS5 RFID достигается за счёт
наличия удобной ручки и инновационной конструкции RFID модуля. На блок модуля
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
17
с антенной вынесена камера, что позволяет использовать оба устройства в одном
корпусе. Дальность считывания RFID меток составляет не более 10 метров, a высокое
качество используемых в терминале компонентов позволяет применять его даже
в неотапливаемых помещениях, где температура опускается до −10 градусов.
Ручной RFID считыватель серии CipherLab 1860 предоставляет широкий выбор
возможностей считывания и записи RFID меток, подключая его к устройствам
пользователя с помощью Bluetooth®. Пользователь может производить сбор данных
в самых труднодоступных местах при дальности считывания до 5 метров. Процесс
упрощается благодаря возможности считывания различных EPC Gen 2 (ISO 18000-6C)
меток за одно сканирование. Используя программное обеспечение для простой
настройки и кастомизации, считыватель серии CipherLab 1860 позволяет легко
интегрировать RFID технологии в бизнес операции.
Принципиальным отличием УВЧ (UHF) считывателей от устройств стандарта EM
Marin или Mifare является использование рабочей частоты, лежащей в высокочастотном
спектре: 840-960 МГц. Волновые свойства таких частот обеспечивают ряд преимуществ
в использовании подобных считывателей. Основные из них: увеличенная дальность
считывания (до 1 метра), возможность одновременного чтения множества меток.
Специальный механизм антиколлизий сводит возможность ошибки считывания
к минимуму.
Считыватель имеет внутреннюю память, в которую записываются данные
с прочитанных меток (потом эту информацию можно загрузить в компьютер) и способен
записывать данные в метку. Также 186х можно подсоединить к терминалу (ТСД)
и передавать данные по каналу Bluetooth.
Рисунок 1.3 – Считыватель Zebra CipherLab 1860
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
18
Таблица 1.3 – Технические характеристики считывателя CipherLab 1860
Процессор
ARM Cortex-M3 32 бит
Память
4MB
Номинальное расстояние
Не более 5м
считывания
Частотный диапазон
865-868 МГц
Данный считыватель является неполным аналогом, так как не имеет дисплея и
клавиатуры для ввода идентификатора RFID-метки. Стоит отметить, что данное
устройство обладает наименьшей стоимостью, т.к. имеет небольшой набор функций и
обладает более скромными техническими характеристиками, по сравнению
с предыдущими устройствами.
На данный момент производятся различные устройства разных ценовых
категорий. Эти устройства отличаются своими техническими характеристиками, а также
выполняемыми функциями. Помимо ручных считывателей, описанных ранее, имеется
широкий выбор стационарных считывателей, антенн и т.д. Из этих составляющих можно
собрать устройство, которое будет выполнять функции, описанные в задании.
Из устройств, описанных выше, наиболее соответствуют заданным требованиям
первые два считывателя. Более того, они имеют больше функций, чем нужно. Для того,
чтобы эти считыватели выполняли нужную функцию, для них необходимо написать
соответствующую программу. Среда разработки для программного обеспечения
предоставляется при покупке устройства. Считыватель CipherLab 1860 можно будет
назвать аналогом только после небольшой доработки, т.к. он не имеет клавиатуры
с дисплеем, следовательно, для него не выйдет написать программу для поиска RFIDметки по заданному идентификатору.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
19
2 СТРУКТУРНОЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
2.1 Структурное проектирование
На основе структурной схемы при дальнейшем проектировании будет построена
схема электрическая принципиальная, как детальная аппаратная реализация
структурной схемы.
Структурная схема разрабатываемой системы может быть представлена как
совокупность функциональных блоков, соединенных между собой. На рисунке 2.1
показана структурная схема разрабатываемой системы.
В структуре системы можно выделить следующие блоки:
 блок управления;
 устройство отображения информации;
 устройство воспроизведения звука;
 устройство ввода информации;
 антенна;
 ридер.
Рассмотрим каждый из структурных блоков, входящих в состав системы,
отдельно. Блок управления является центральным звеном в системе. Блок осуществляет
управление работой ридера, передавая уникальный идентификатор метки для поиска.
Также блок управления обеспечивает ввод информации, отображение информации.
Устройство отображения информации будет использоваться для отображения
вводимых символов, а также различной информации. Для ввода данных будет
использоваться устройство ввода информации в виде клавиатуры.
Ридер – устройство, которое будет выполнять поиск заданных меток с помощью
внешней антенны. После того, как метка найдена, ридер отправит сигнал на устройство
воспроизведения звука. Структурная схема устройства изображена на рисунке 2.1.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
20
Устройство
отображения
информации
Устройство
воспроизведения
звука
Блок
управления
Ридер
Антенна
Устройство
ввода
информации
Рисунок 2.1 – Структурная схема устройства
2.2 Функциональное проектирование
После разработки структурной схемы устройства, переходим к разработке
функциональной схемы устройства. Функциональная схема отражает общую структуру
устройства на уровне логических элементов. В ней более подробно рассматриваются все
структурные блоки устройства, описанные в структурной схеме.
Блок управления. В качестве блока управления будет использоваться
микроконтроллер. Микроконтроллер представляет собой микросхему, состоящую
из микропроцессора, ОЗУ, ПЗУ и ещё каких-либо интерфейсов, в зависимости
от модели. В итоговом устройстве микроконтроллер будет сканировать клавиатуру,
ожидая нажатия клавиши, для того, чтобы задать идентификатор RFID-метки
для поиска. Также микроконтроллер будет отправлять ридеру этот идентификатор.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
21
Для ввода информации необходима клавиатура, состоящая из двадцати клавиш.
Такое количество необходимо для того, чтобы обеспечить ввод всех цифр
шестнадцатеричной
системы
счисления,
а
также
редактирования
введённых
символов.
Схема
к микроконтроллеру изображена на рисунке 2.2.
SB1
SB5
SB9
SB13
для
подтверждения
подключения
ввода,
клавиатуры
SB17
MCU
SB2
SB6
SB10
SB14
SB18
SB3
SB7
SB11
SB15
SB19
SB4
SB8
SB12
SB16
SB20
PC0
PC1
PC2
PC3
PC4
PC5
PC6
PC7
PD7
PD6
PD5
PD4
PD3
PD2
PD1/TxD
PD0/RxD
PB5
PB4
PB3
PB2
PB1
PB0
DD1
Рисунок 2.2 – Схема подключения клавиатуры к микроконтроллеру
В качестве ридера будет использоваться микроконтроллер, к которому
необходимо подключить антенну, которая будет отправлять сигнал RFID-метке и
принимать ответ от этой метки. Для увеличения дальности идентификации будет
использована внешняя антенна. Данные между управляющим микроконтроллером и
ридером будут передаваться посредством последовательного интерфейса USB. Для того,
чтобы пользователь понял, что RFID-метка найдена, необходимо устройство
для воспроизведения звука. В качестве такого устройства будет использован динамик.
В качестве дисплея будет использован LCD дисплей. Схема подключения
дисплея, ридера, динамика и антенны изображена на рисунке 2.3. Функциональная
схема устройства представлена на чертеже БрГТУ.141125.007 Э2.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
22
BQ1
MCU
PC0
PC1
PC2
PC3
PD7
PD6
PD5
PD4
PD3
PD2
PD1/TxD
PD0/RxD
PC4
PC5
PC6
PC7
PB5
PB4
PB3
PB2
PB1
PB0
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
RS
E
DPY
LCD
DD3
W1
DD1
MCU
RxD
TxD
RF
DD2
Рисунок 2.3 – Схема подключения ридера, антенны, динамика и дисплея к
микроконтроллеру
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
23
3 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Для осуществления идентификации пассивных меток на расстоянии большем, чем
один метр, ридер должен работать в УВЧ диапазоне (от 300 МГц до 1 ГГц). Для ридеров
данного диапазона разработан стандарт EPC GEN 2, в котором описаны требования
к ридеру. Согласно этому стандарту ридер должен работать на частоте от 860 МГц
до 960 Мгц.
3.1 Ридер SparkFun Simultaneous RFID Reader - M6E Nano
SparkFun Simultaneous RFID Reader – M6E Nano – это плата, совместимая
с Arduino. Данное устройство можно подключить его непосредственно к плате,
совместимой с Arduino, или к другому микроконтроллеру. Также имеется возможность
напрямую подключиться к компьютеру с помощью интерфейса USB.
Рисунок 3.1 – Ридер SparkFun Simultaneous
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
24
Данная
плата
управляется
микроконтроллером
M6E
Nano.
Данный
микроконтроллер разработан для радиочастотной идентификации меток. Он имеет
встроенное программное обеспечение, с помощью которого имеется возможность
работать с RFID-метками. Выводы микроконтроллера M6E Nano представлены
в таблице 3.1. Цоколевка микропроцессора M6E Nano представлена на рисунке 3.2.
Таблица 3.1 – Назначение выводов микропроцессора M6E Nano
Номер
Обозначение
Описание
контакта
Необходимо подключить все выводы GND к земле
1-9, 18-19
GND
поскольку они также служат для удаления тепла из
модуля.
Выход постоянного тока 3,4 В. Максимальная
нагрузка
5 мА. Отключается при низком уровне
10
Vout
ENABLE. Оставить без подключения, если не
используется.
Вход TTL, который выключает модуль и снижает
потребление электроэнергии практически до нуля.
11
ENABLE
Высокий уровень – включено, низкий –
выключено. Если он остался не подключенным,
модуль останется включённым.
Контакты для интерфейса ввода/вывода общего
12-15
GPIO1-GPIO4
назначения.
3,3-5,5 В постоянного тока. Оба контакта
необходимо подключить к источнику питания для
16-17
Vin
обеспечения достаточной пропускной способности
тока.
Линия ввода данных для последовательного
20
UART_TX
интерфейса.
Линия вывода данных для последовательного
21
UART_RX
интерфейса.
Контакты, зарезервированные для последующей
22-28
RFU
доработки. Оставить неподключенными.
39
38, 40-41
RF
Интерфейс для антенны.
GND
Заземление для антенны, также служит для отвода
тепла.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
25
Рисунок 3.2 – Цоколевка микроконтроллера M6E Nano
Для организации последовательного интерфейса требуется только три контакта
(TX, RX и GND). Аппаратные средства квитирования не поддерживаются. Это
интерфейс логического уровня TTL, поэтому преобразователь уровня необходим для
подключения к устройствам, использующим интерфейс RS232 12 В.
Устройство SparkFun Simultaneous RFID Reader считывает RFID-метки стандарта
EPCglobal Gen 2 со скоростью до 150 тегов в секунду. Запись тегов также возможна при
стандартной записи 80 мс. Устройство имеет регулируемую выходную мощность от
0 до 27 дБм, а это означает, что с помощью внешней антенны имеется возможность
считывать метки на расстоянии до 5 м.[4] Устройство имеет встроенный динамик и два
последовательных интерфейса. Один из них будет использован для обмена данными
с блоком управления, а ко второму необходимо подключить микросхему
для преобразования логического уровня TTL в уровень, который используется
протоколом USB. Для этого будем использовать схему SparkFun Serial Basic Breakout CH340G. Данная микросхема имеет 6 контактов на входе и разъём micro-USB
на выходе. Схема SparkFun Serial Basic Breakout - CH340G изображена на рисунке 3.3.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
26
Рисунок 3.3 – Схема SparkFun Serial Basic Breakout - CH340G
Данное устройство предназначено для конвертации шины USB. Оно может
преобразовать сигналы шины USB в последовательный интерфейс, ИК-порт IrDA или
в интерфейс принтера.
Основные преимущества:
 Полноскоростной интерфейс USB-устройства, соответствует спецификации
USB 2.0;
 Эмуляция стандартного последовательного интерфейса, используемого
для обновления прежнего периферийного устройства, или добавления избыточного
последовательного интерфейса через USB;
 Полностью
совместим
с
в операционной системе Windows;
последовательной
прикладной
программой
 Аппаратный полнодуплексный последовательный интерфейс, настройка буфера
приемопередатчика, поддержка скорости обмена сообщениями от 50 бит до 2 Мбит/с;
 Поддерживает общий сигнал связи MODEM RTS, DTR, DCD, RI, DSR и CTS;
 Поддержка IRDA-критерия SIR-инфракрасной связи, поддерживает скорость
передачи в бодах от 2400 бит/с до 115200 бит/с;
 Поддерживает напряжение источника 5 В и 3,3 В.
Данный модуль подключается к группе контактов ридера «Serial». В таблице 3.2
сопоставлены соответствующие контакты ридера SparkFun Simultaneous RFID Reader и
платы SparkFun Serial Basic Breakout - CH340G[5].
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
27
Таблица 3.2 – Соответствие контактов устройств
Контакт SparkFun Simultaneous RFID
Контакт SparkFun Serial Basic Breakout Reader
CH340G
NC
DTR
TxO
RxI
RxI
TxO
Vcc
Vcc
NC
CTS
GND
GND
3.2 Блок управления
В качестве блока управления будет использоваться контроллер Arduino Uno.
К нему будет подключена клавиатура, ридер, LCD-дисплей.
Рисунок 3.4 – Arduino UNO
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
28
Контроллер Arduino Uno построен на ATmega328. Платформа имеет 14 цифровых
вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых
входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и
кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру
посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или
батареи. Для связи по USB новый Arduino Uno использует микроконтроллер
ATmega8U2.
Таблица 3.3 – Характеристики контроллера Arduino Uno
Микроконтроллер
ATmega328
Рабочее напряжение
5В
Входное напряжение (рекомендуемое)
7-12 В
Входное напряжение (предельное)
6-20 В
Цифровые Входы/Выходы
14 (6 из которых могут использоваться как
выходы ШИМ)
Аналоговые входы
6
Постоянный ток через вход/выход
40 мА
Постоянный ток для вывода 3.3 В
50 мА
Флеш-память
32 Кб (ATmega328) из которых 0.5 Кб
используются для загрузчика
ОЗУ
2 Кб (ATmega328)
EEPROM
1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота
16 МГц
Arduino Uno может получать питание через подключение USB или от внешнего
источника питания. Источник питания выбирается автоматически. Внешнее питание (не
USB) может подаваться через преобразователь напряжения AC/DC (блок питания) или
аккумуляторной батареей. Преобразователь напряжения подключается посредством
разъема 2.1 мм с центральным положительным полюсом. Провода от батареи
подключаются к выводам Gnd и Vin разъема питания.
Платформа может работать при внешнем питании от 6 до 20 В. При напряжении
питания ниже 7 В, вывод 5V может выдавать менее 5 В, при этом платформа может
работать нестабильно. При использовании напряжения выше 12 В регулятор напряжения
может перегреться и повредить плату. Рекомендуемый диапазон от 7 до 12 В.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
29
Выводы питания:
 VIN. Вход используется для подачи питания от внешнего источника (в отсутствие
5 В от разъема USB или другого регулируемого источника питания). Подача напряжения
питания происходит через данный вывод;
 5V. Регулируемый источник напряжения, используемый для питания
микроконтроллера и компонентов на плате. Питание может подаваться от вывода VIN
через регулятор напряжения, или от разъема USB, или другого регулируемого источника
напряжения 5 В;
 3V3. Напряжение на выводе 3.3 В генерируемое встроенным регулятором
на плате. Максимальное потребление тока 50 мА;
 GND. Выводы заземления.
Микроконтроллер ATmega328 располагает 32 кБ флэш памяти, из которых 0.5 кБ
используется для хранения загрузчика, а также 2 кБ ОЗУ (SRAM) и 1 Кб
EEPROM.(которая читается и записывается с помощью библиотеки EEPROM).
Каждый из 14 цифровых выводов Uno может настроен как вход или выход,
используя функции pinMode(), digitalWrite(), и digitalRead(), . Выводы работают при
напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (по умолчанию отключен)
20-50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции:
 Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX). Выводы используются для получения
(RX) и передачи (TX) данных TTL. Данные выводы подключены к соответствующим
выводам микросхемы последовательной шины ATmega8U2 USB-to-TTL;
 Внешнее прерывание: 2 и 3. Данные выводы могут быть сконфигурированы
на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем фронте,
или при изменении значения. Подробная информация находится в описании функции
attachInterrupt();
 ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8
бит при помощи функции analogWrite();
 SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Посредством данных выводов
осуществляется связь SPI, для чего используется библиотека SPI;
 LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. Если
значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит.;
На платформе Uno установлены 6 аналоговых входов (обозначенных как A0 .. A5),
каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения).
Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В относительно земли, тем не менее
имеется возможность изменить верхний предел посредством вывода AREF и функции
analogReference().
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
30
Дополнительная пара выводов платформы:
 AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с функцией
analogReference();
 Reset. Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает микроконтроллер.
Обычно применяется для подключения кнопки перезагрузки на плате расширения,
закрывающей доступ к кнопке на самой плате Arduino.
На платформе Arduino Uno установлено несколько устройств для осуществления
связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами.
ATmega328 поддерживают последовательный интерфейс UART TTL (5 В),
осуществляемый выводами 0 (RX) и 1 (TX). Установленная на плате микросхема
ATmega8U2 направляет данный интерфейс через USB, программы на стороне
компьютера "общаются" с платой через виртуальный COM порт. Прошивка ATmega8U2
использует стандартные драйвера USB COM, никаких сторонних драйверов не
требуется, но на Windows для подключения потребуется файл ArduinoUNO.inf.
Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino позволяет
посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе. Светодиоды RX
и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему FTDI или USB
подключение
(но
не
при
использовании
последовательной
передачи
через выводы 0 и 1).
Библиотекой SoftwareSerial возможно создать последовательную передачу данных
через любой из цифровых выводов Uno. ATmega328 поддерживает интерфейсы I2C
(TWI) и SPI. В Arduino включена библиотека Wire для удобства использования
шины I2C.
В Arduino Uno встроен самовосстанавливающийся предохранитель (автомат),
защищающий порт USB компьютера от токов короткого замыкания и сверхтоков. Хотя
практически все компьютеры имеют подобную защиту, тем не менее, данный
предохранитель обеспечивает дополнительный барьер. Предохранитель срабатывает
при прохождении тока более 500 мА через USB порт и размыкает цепь до тех пока
нормальные значения токов не будут восстановлены. [6]
3.3 Периферийные устройства
В качестве дисплея будем использовать микросхему LM016L, которая
представляет собой ЖКИ с отображением двух строк символов. Для клавиатуры будут
использоваться кнопочные переключатели Switch Push Button DIP P4.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
31
DPY
LCD
D0
D1
D2
4
6
RS
D3
E
D4
D5
D6
D7
7
8
9
10
11
12
13
14
Рисунок 3.5 – УГО микросхемы LM016L
Таблица 3.4 – Назначение выводов микросхемы LM016L
Номер
Обозначение
Назначение
контакта
контакта
вывода
Описание
7 .. 14
D0 .. D7
Вход-выход
Шина команд/данных
4
RS
Вход
Бит,
с
помощью
определяет,
что
которого,
находится
дисплей
на
шине
данных (команда/данные)
6
Е
Вход
Линия синхронизации
Так как идентификатор RFID-метки является 32-битным числом, для ввода этого
идентификатора с клавиатуры необходимо 4-разрядное шестнадцатеричное число.
Кнопки SB1..SB16 служат для ввода всех цифр шестнадцатеричной системы счисления.
Кнопка SB17 предназначена для подтверждения ввода. При нажатии кнопки SB18,
последний введённый символ будет стёрт. Кнопка SB19 нужна для прекращения поиска
RFID-метки. Кнопка SB20 – для последующей модернизации устройства путём
программного добавления функциональности.
Для увеличения расстояния, с которого будет распознаваться RFID-метка нужна
внешняя антенна. Производитель ридера SparkFun Simultaneous RFID Reader
предусматривает
использование
ограниченных
моделей
внешних
антенн.
Для обеспечения наиболее мощного сигнала будем использовать антенну Laird FG9026.
Антенна работает в диапазоне частот от 902 МГц до 928Мгц.
Рисунок 3.6 – Антенна Laird FG9026
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
32
Для того, чтобы устройство было портативным, оно должно иметь элемент
питания. Производитель SparkFun рекомендует использовать литий-полимерный
аккумулятор. Литий-полимерный аккумулятор является улучшенным литий-ионным
аккумулятором и обладает следующими преимуществами:

большая плотность энергии на единицу массы;

низкий саморазряд;

толщина элементов от 1 мм;

возможность получать очень гибкие формы;

отсутствие эффекта памяти;


незначительный перепад напряжения по мере разряда.
диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов довольно
широкий: от −20 до +40 °C по данным производителей.
Также производитель SparkFun рекомендует аккумулятор, ёмкостью не менее
1Ah, поэтому выберем аккумулятор Robiton LP704374, ёмкостью 2500 mAh.
Для обеспечения работоспособности Arduino Uno недостаточно напряжения 3.7 В,
которое выдаёт аккумулятор. Поэтому необходима микросхема для того, чтобы
повысить напряжение до напряжения от 5 до 20 В. Будем использовать микросхему
Electronicfuns DC 3.3V-6V to 12V. Данная микросхема при входном напряжении 3.7 В
сформирует выходное напряжение 12 В.
Рисунок 3.7 – Конвертер напряжения Electronicfuns DC 3.3V-6V to 12V
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
33
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
4.1 Выбор среды программирования
В рамках дипломного проекта предполагается создание программы для блока
управления, которая будет управлять ридером, а также будет осуществлять ввод и вывод
информации. Также необходимо разработать программу для ридера, которая будет
осуществлять взаимодействие с RFID-метками.
Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке
ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта
и Бейсика. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика.
Известные компиляторы Си для МК:
– GNU Compiler Collection — поддерживает ARM, AVR, MSP430 и многие другие
архитектуры;
– Small Device C Compiller — поддерживает множество архитектур;
– CodeVisionAVR (для AVR);
– IAR (для любых МК);
– WinAVR (для AVR и AVR32);
– Keil (для архитектуры 8051 и ARM);
– HiTECH (для архитектуры 8051 и PIC от Microchip);
–
–
–
–
–
–
Известные компиляторы бейсика для МК:
MikroBasic (архитектуры PIC, AVR, 8051 и ARM);
Bascom (архитектуры AVR и 8051);
FastAVR (для архитектуры AVR);
PICBasic (для архитектуры PIC);
Swordfish (для архитектуры PIC);
Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные
программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера),
внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер,
которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и
отладочный интерфейс.[7]
Так как аппаратно устройство построено на платформе Arduino, будем
использовать среду разработки Arduino IDE. Arduino IDE предоставляет набор удобных
инструментов для работы с Arduino. Среда разработки Arduino IDE использует
компилятор WinAVR. Удобство её использования заключается в наличии возможности
быстрой загрузки программы на плату Arduino посредством интерфейса USB. Код
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
34
программы в Arduino IDE пишется на языке C или C++. Написание программы на языке
ассемблера является нецелесообразным, ввиду больших затрат времени и сложности
написания программы.
4.2 Разработка программы для Arduino Uno
Блок управления будет осуществлять ввод, вывод данных, управление ридером
посредством последовательного интерфейса. Для того, чтобы платформа Arduino Uno
работала в нужном режиме необходимо проинициализировать все входы, к которым
подключены устройства. Для осуществления ввода данных с клавиатуры используется
библиотека Keypad.h. Данная библиотека требует определить матрицу значений
клавиш, определения контактов, к которым подключены строки и столбцы матрицы
клавиш. Назначение клавиш:
– S1 – символ «0»;
– S2 – символ «4»;
– S3 – символ «8»;
– S4 – символ «С»;
– S5 – символ «1»;
– S6 – символ «5»;
– S7 – символ «9»;
– S8 – символ «D»;
–
–
–
–
–
–
–
–
S9 – символ «2»;
S10 – символ «6»;
S11 – символ «A»;
S12 – символ «E»;
S13 – символ «3»;
S14 – символ «7»;
S15 – символ «B»;
S16 – символ «F»;
– S17 – символ «c» – предназначен для редактирования ввода (убирает последний
введённый символ);
– S18 – символ «l» – предназначен для редактирования ввода (убирает все
введённые символы);
– S19 – символ «r» – предназначен для подтверждения ввода и начала поиска;
– S19 – символ «t» – предназначен для дальнейшей модернизации устройства.
Инициализация переменных выполняется с помощью данного кода:
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
35
LiquidCrystal lcd(9, 8, 7, 6, 5, 4); // Инициализация LCD-дисплея
const byte ROWS = 4; //four rows
const byte COLS = 5; //five columns
//Определение матрицы значений клавиш
char hexaKeys[ROWS][COLS] = {
{'0','1','2','3','c'},
{'4','5','6','7','l'},
{'8','9','A','B','r'},
{'C','D','E','F','t'}
};
byte rowPins[ROWS] = {10, 3, 2, 19};
//Инициализация выходов, к
которым подключены ряды
клавиш
byte colPins[COLS] = {14, 15, 16, 17, 18}; // Инициализация выходов,
к
которым
подключены
столбцы клавиш
//создание объекта класса Keypad для работы с клавиатурой
Keypad customKeypad = Keypad( makeKeymap(hexaKeys), rowPins, colPins,
ROWS, COLS);
Для того, чтобы платформа Arduino выполняла программу, программа должна
содержать в себе две функции:
– void setup() – функция, которая выполняется прежде всего и производит
инициализацию аппаратуры;
– void loop() – функция, которая содержит основную программу, начинает своё
выполнение после инициализации.
Кроме клавиатуры необходимо настроить последовательный интерфейс для связи
с ридером. Функция инициализации:
void setup(){
// инициализация количества столбцов и строк дисплея:
lcd.begin(16, 2);
// вывод начального сообщения на дисплей.
lcd.print("Enter ID:");
lcd.setCursor(0,1); //перемещение курсора на позицию для ввода
// Включение курсора
lcd.cursor();
// Инициализация последовательного интерфейса
Serial.begin(9600);
}
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
36
Процедура ввода идентификатора RFID-метки заключается в последовательном
вводе 64-битного числа в шестнадцатеричной системе счисления. При вводе
недостаточного количества цифр (менее 16) выведется сообщение об ошибке, которое
пропадёт через две секунды и пользователь продолжит ввод. Код, реализующий ввод
данных с клавиатуры:
char key = customKeypad.getKey(); // ожидание ввода с клавиатуры
int i;
if (key && (keycount<16) && (key !='=') && (key !='c')&&
!='r')&& (key !='t')){
lcd.print(key);
//отображение введённых символов
code[keycount]=key;
keycount++;}
if (key == 'c'){ //удаление последнего символа
keycount--;
lcd.setCursor(keycount,1);
lcd.print (' ');
lcd.setCursor(keycount,1);}
if (key == 'l'){ //удаление всех символов
keycount = 0;
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print (“
”);
lcd.setCursor(0,1);}
if ( key == 'r'){ //поиск метки
if (keycount == 16){ //поиск метки
find_tag();
}
else {//вывод сообщения об ошибке и продолжение ввода
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("invaid ID");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("press any key");
delay(1000);
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Enter ID:");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("
");
for(i=0; i< keycount; i++){
lcd.setCursor(i,1);
lcd.print(code[i]);
}
}}
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
(key
Лист
37
После ввода необходимо передать сигнал ридеру, чтобы он начал поиск. Также
нужно передать идентификатор, который ввёл пользователь. Следующий код выполняет
эти требования:
void find_tag(){
int i = 0;
char a;
Serial.flush(); // очистка буфера данных
Serial.println(code); // передача идентификатора
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Searching for ");// вывод сообщения о поиске
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("tag
");
lcd.setCursor(4,1);
while (Serial.available() < 0){ // ожидание ответа от ридера
}
while (Serial.available() > 0{ // считывание ответа
a = Serial.read();
}
if (a == '0'){ //код успешного поиска метки
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Tag found");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("press key to stop");
char key = customKeypad.getKey();
if (key != 0){
Serial.print("stop")
}
}
else // метка не найдена
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Tag not found");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("press key to stop");
char key = customKeypad.getKey();
}
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
38
4.2 Разработка программы для SparkFun Simultaneous RFID Reader - M6E
Nano
Ридер во время ввода данных находится в ожидании. Сигнал, приходящий с блока
управления активирует поиск метки. Для инициализации ридера необходимо
проинициализировать последовательный интерфейс. Настройка интерфейса должна
быть идентичной настройке последовательного интерфейса блока управления. Также
необходимо установить регион использования, так как в разных регионах отличаются
рабочие диапазоны частот. Ридер оснащён динамиком, поэтому его тоже нужно
проинициализировать.
инициализации:
Необходимо
установить
усиление
для
антенны.
Код
#define BUZZER1 9 // определение выходов динамика
#define BUZZER2 10
void setup()
{
Serial.begin(9600);
//
инициализация
последовательного
интерфейса
pinMode(BUZZER1, OUTPUT); // инициализация динамика
pinMode(BUZZER2, OUTPUT);
digitalWrite(BUZZER2, LOW);
while (!Serial); // ожидание соединения через последовательный
интерфейс
Serial.println();
Serial.println("Initializing...");
if (setupNano(38400) == false) //Конфигурация микроконтроллера
{
Serial.println("Module
failed
to
respond.
Please
check
wiring.");
while (1);
}
nano.setRegion(REGION_EUROPE); //Усатновка региона Европа
nano.setReadPower(2700);
//
Установка
27.00 dBm
максимального
усиления
}
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
39
После инициализации ридер ждёт сигнала с управляющего блока. Сигналом
является передача идентификатора RFID-метки. После получения этого идентификатора,
ридер начнёт поиск. После того, как метка будет найдена, ридер отправит сигнал
управляющему блоку, а также воспроизведёт звук:
byte myEPC[8];
byte myEPClength;
byte responseType = 0;
int i = 0;
while (!Serial.available()); //Ожидание
while (Serial.available() > 0{ // считывание ответа
myEPC[i] = Serial.read();
i++;
}
while (responseType != RESPONSE_SUCCESS)//пока метка не найдена)
{
myEPClength
=
sizeof(myEPC);
//Длинна
переменной
будет
меняться после каждого вызова
readTagEPC
//сканирование
responseType = nano.readTagEPC(myEPC, myEPClength, 500);
}
Serial.println(‘0’);
//воспроизведение мелодии
tone(BUZZER1, 2093, 150);
delay(150);
tone(BUZZER1, 2349, 150);
delay(150);
tone(BUZZER1, 2637, 150);
delay(150);
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
40
5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
5.1 Исходные данные для осуществления расчета
В данном дипломном проекте разрабатывается портативный активно-пассивный
локатор радиометок. Устройство предназначено для поиска радиометок. Целью создания
устройства является упрощение поиска личных вещей, путём оснащения их
радиометками. В данном разделе будет рассчитана себестоимость и отпускная цена
устройства управления информационным табло.
Последовательность расчётов:
– расчёт объёма функций программного модуля;
– расчёт полной себестоимости разрабатываемого устройства;
– расчет отпускной цены и прибыли разрабатываемого устройства.
5.2 Расчёт объёма функций программного модуля
Наименование проекта – портативный активно-пассивный локатор радиометок.
Среда разработки ПО – Arduino IDE. Общий объём программного обеспечения (Vо)
определяется, исходя из количества и объёма функций, реализуемых программой, и
рассчитывается по следующей формуле:
n
V0   V0i
i 1
(5.1)
,
где Vo – общий объём ПО;
V0i – объем отдельной функции ПО;
n – общее число функций.
В качестве единицы измерения объема ПО используется строка исходного кода
(LOC). Преимущества использования строки исходного кода как единицы измерения
заключается в том, что эта единица измерения наиболее точно отражает содержание
труда программиста. Расчет общего объема ПО (количества строк исходного кода
(LOC)) предполагает определение объема по каждой функции.
Уточнённый объём программного обеспечения (Vy) определяется, исходя из
уточнённого объёма отдельной функции, и рассчитывается по следующей формуле:
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
41
n
V y  V yi
i 1
(5.2)
,
где Vyi – уточнённый объём отдельной функции в строках исходного кода (LOC).
В таблице 5.1 приведён перечень и объём функций программного обеспечения:
Таблица 5.1 – Уточнённый общий объём функций строк исходного кода
Объём функции, LOC
Номер
функции
Наименование (содержание)
По каталогу,
Vi
Уточнённый,
Vуi
101
Организация ввода информации
110
50
102
Контроль, предварительная обработка и ввод
340
30
информации
109
Управление вводом/выводом
1980
80
601
Вспомогательные и сервисные программы
490
150
2920
310
Итого
На основании информации о функциях разрабатываемого программного
обеспечения и использовании стандартных библиотек, объемы функций были
уменьшены. Уточненный объем ПО ( V yi ) составил 310 строк исходного кода (LOC)
вместо 2920.
5.3 Расчет полной себестоимости разрабатываемого устройства
Расчет полной себестоимости разрабатываемого устройства предполагает
составление сметы затрат, которая в денежном выражении включает следующие статьи
расходов:
 заработную плату исполнителей основную (ЗПо) и дополнительную (ЗПд);
 отчисления на социальные нужды (Рсоц);
 сырье и материалы (Рм);
 комплектующие и покупные детали (Рс);
 расходы на научные командировки (Рнк);
 прочие прямые расходы (Рпр);
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
42
 накладные расходы (Рнр);
 затраты на освоение и сопровождение программного продукта (Ро и Рсо).
Таким образом, полная себестоимость (Сп) разработки программного продукта
рассчитывается как сумма расходов по всем статьям с учетом рыночной стоимости
аналогичных продуктов:
Сп = ЗПо + ЗПд + Рсоц + Рм + Рс + Рнк + Рпр + Рнр + Ро + Рсо.
(5.3)
Определим основные статьи себестоимости аппаратной части устройства.
Расчет основной и дополнительной заработной платы исполнителей. Основной
статьей расходов на создание устройства является заработная плата разработчиков
(исполнителей) проекта. В данном дипломном проекте в качестве исполнителей будут
выступать:
 инженер, участвующий в разработке;
 руководитель.
Рассчитаем основную заработную плату рабочих, которые заняты монтажом,
сбором и наладкой одного конструктивного элемента. Величина основной зарплаты
рассчитывается на основе трудоемкости работ, выполняемых рабочими разной
квалификации:
ЗПО = ТСТЧ ТК ФРВ ∙ КПР,
(5.4)
где ТСТЧ – часовая ставка рабочего первого разряда, руб.;
ТК – тарифный коэффициент согласно разряду исполнителя;
ФРВ – фонд рабочего времени исполнителя, час;
КПР – коэффициент премий.
Часовая ставка рабочего разряда:
ТСТЧ = ТСТ 12 / ПРВ,
(5.5)
где ТСT – месячная тарифная ставка рабочего первого разряда, утвержденная согласно
Единой тарифной сетки Республики Беларусь, руб.;
12 – число месяцев в году;
ПРВ – продолжительность рабочего времени за расчетный год, час.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
43
Дополнительная заработная плата включает в себя выплаты, предусмотренные
законодательством о труде (оплата отпусков, льготных часов, времени выполнения
государственных
обязанностей
и
других
выплат,
не
связанных
с
основной
деятельностью работников) и определяется по нормативу в процентах к основной
заработной плате.
Расчет дополнительной заработной платы исполнителей проекта:
ЗПД = ЗПО ∙ НДОП.ЗП. / 100,
(5.6)
где ЗПо – основная заработная плата исполнителя, руб;
Н доп. зп. – норматив дополнительной заработной платы (Нд = 15 %).
Заработная плата разработчиков определяется
и дополнительной заработной платы всех исполнителей.
как
сумма
основной
Ставка первого разряда на данный момент составляет 34 руб. Дополнительная
заработная плата 15 % от основной заработной платы. На 2018 год расчетная норма
рабочего времени для пятидневной 40-часовой рабочей недели составляет 2016 часов.
В результате проведенных расчетов часовая тарифная ставка составила 0,202 руб.
Рассчитаем заработную плату исполнителей проекта, результаты занесем
в таблицу 5.2.
Тарифный
коэффициент
Трудоемкость,
часы
Коэффициент
премирования
Норматив
дополнительной
зарплаты, %
Инженер
Руководит
ель
Всего
Разряд
Категории
работников
Таблица 5.2 – Расчет заработной платы
10
2,84
24
1,4
15
19,28
2,89
22,17
14
3,25
10
1,5
15
9,85
1,48
11,33
―
―
―
―
―
29,13
4,37
33,5
Заработная плата, руб.
Основная
Дополни
тельная
Всего
Отчисления на
социальные нужды включают в предусмотренные
законодательством отчисления в фонд социальной защиты (34 %) и фонд обязательного
страхования (0,6 %) в процентах от основной и дополнительной заработной платы.
Отчисления на социальные нужды рассчитывается по следующей формуле:
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
44
Рсоц = (ЗПо + ЗПд) ∙ 34,6 / 100,
(5.7)
где ЗПо и ЗПд – заработная плата основная и дополнительная соответственно, руб.
Подставляя исходные данные в формулу (5.7), получим:
Рсоц = 33,5 ∙ 34,6 / 100 = 11,59 (руб.).
Расходы по статье «Материалы и комплектующие изделия» определяются на
основании сметы затрат, разрабатываемой на создании конструктивного элемента
устройства с учетом действующих нормативов. По статье «Материалы и
комплектующие изделия» (Рм) отражаются расходы на радиоэлементы, флюсы, припои
и другие материалы, необходимые для изготовления ПП., которые рассчитываются по
следующей формуле:
,
(5.8)
где КТР - коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы при
приобретении материалов, %;
НРI – норма расхода i-го вида материала на единицу продукции;
ЦI – отпускная (оптовая) цена за единицу i-го вида материала, руб.;
n – номенклатура применяемых материалов.
В таблице 5.3 приведен расчет затрат на основные и вспомогательные материалы.
Таблица 5.3 – Расчет материалов и комплектующих изделий
Наименование материала
Единица
измерения
Норма
расхода
Оптовая цена
за единицу,
руб.
Сумма, руб.
Припой ПОС-61
кг
0,0040
46,50
0,19
Флюс IF8001
л
0,0098
299,00
2,93
Итого
3,12
Транспортно-заготовительные
расходы (Ктр = 15%)
0,47
Итого
с
транспортнозаготовительными расходами
3,59
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
45
Следующим шагом будет расчет расходов по статье «Спецоборудование» (Рс),
создаваемого устройства. Расходы по статье включают затраты на приобретение
вспомогательных деталей специального технического назначения, необходимых для
разработки портативного локатора радиометок.
Расчет производится с использованием рыночных цен, рыночными способами
оценки затрат. Внутри каждой из перечисленных групп производственные запасы
подразделяют на виды, сорта, марки, типоразмеры. Для правильной организации учета
материалов на предприятиях разрабатывается номенклатура-ценник.
Все данные о стоимости комплектующих и покупных изделий в таблице 5.4.
Таблица 5.4 – Стоимость комплектующих и покупных деталей
Количество
покупных и
комплектую
щих на 1
изделие
Стоимость
единицы
покупных и
комплектующи
х (руб.)
Общая
стоимость
покупных и
комплектующих
изделий (руб.)
1
11,2
11,2
1
2
2
1
14
14
1
25
25
1
400
400
1
7,78
7,78
ЖК-Дисплей LM016L
1
72
72
Антенна Laird FG9026
1
306
306
Кнопки SMD 6x6x5
20
0,04
0,8
Наименование материалов
Аккумулятор Robiton LP70H374
Преобразователь напряжения
Electronicfuns DC 3.3V-6V to 12V
SpurkFun Serial Basic Breakout –
CH340G
Arduino Uno R3
SpurkFun Simultaneous RFID
Reader – M6E Nano
Коннектор U.FL To N-female
Итого
838,02
Расходы по статье «Машинное время» (Рмв) включают оплату машинного
времени, необходимого для разработки и отладки программы. Они определяются в
машино-часах по нормативам на 100 строк исходного кода машинного времени.
Рассчитываются по следующей формуле:
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
46
,
(5.9)
где Цм – цена одного машино-часа (1,2 руб.);
Vо – уточнённый общий объём функций строк исходного кода (LOC);
Нмв – норматив расхода машинного времени на отладку 100 строк кода, машиночасов. Принимается в размере 0,9.
Исходя из формулы (5.9), рассчитаем расходы по статье «Машинное время»:
Рмв = 1,2 ∙ 310 / 100 ∙ 0,9 = 3,35 (руб).
Расходы на научные командировки (Рнк) берутся либо по смете научных
командировок, разрабатываемой на предприятии, либо в процентах от основной
заработной платы исполнителей (10-20 %), рассчитывается по следующей формуле:
Рнк = ЗПо ∙ Ннк / 100,
(5.10)
где Ннк – норматив, %.
Так как при производстве устройства не предусмотрены научные командировки,
данная статья не рассчитывается.
Расходы по статье «Прочие прямые затраты» (Рпр) включают затраты на
приобретение специальной научно-технической информации и специальной литературы.
Определяются в процентах к основной заработной плате (10-15 %), рассчитывается по
следующей формуле:
Рпр = ЗПо ∙ Нпр /100,
(5.11)
где Нпр – норматив прочих затрат, %.
Так как при производстве устройства не покупалась дополнительная литература,
данная статья не рассчитывается.
Затраты по статье «Накладные расходы» (Рнр) связаны с содержанием
вспомогательных хозяйств, опытных производств, а также с расходами
на общехозяйственные нужды. Определяются по нормативу в процентах к основной
заработной плате исполнителей и рассчитываются по следующей формуле:
Рнр = ЗПо ∙ Ннр / 100,
(5.12)
где Ннр – норматив накладных расходов, %.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
47
Подставляя исходные данные в формулу (5.12), получим:
Рнр = 33,5 ∙ 100 / 100 = 33,5 (руб.).
Сумма данных статей определяет сумму затрат по следующей формуле:
Спр = ЗПо + ЗПд + Рсоц + Рм + Рс + Рнк + Рпр + Рнр + Рмв.
(5.13)
Подставляя исходные данные в формулу (5.13), получим:
Спр = 29,13 + 4,37 + 11,59 + 3,59 + 838,02 + 0 + 0 + 33,5 + 3,35 = 928,05 (руб.).
Кроме того, организация-разработчик участвует в освоении программного
продукта и несет соответствующие затраты, на которые составляется смета,
оплачиваемая заказчиком по договору. Эти затраты определяются по нормативу в
процентах от производственной себестоимости.
Ро рассчитывается по данной формуле:
Ро = Спр ∙ Но / 100,
(5.14)
где Но – норматив отчислений, %.
Рсо рассчитывается по данной формуле:
Рсо = Спр ∙ Нсо / 100,
(5.15)
где Нсо – норматив отчислений, %.
Так как на нашем предприятии не предусмотрены расходы на освоение и
сопровождение, мы данные статьи не рассчитываем. Таким образом, полная
себестоимость разработки устройства определяется по следующей формуле:
Сп = Спр + Ро + Рсо.
(5.16)
В результате всех расчетов необходимых для нахождения полной себестоимости
портативного локатора радиометок, его полная себестоимость составила 924,7 руб.
Выполненные выше расчеты представлены в таблице 5.5.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
48
Таблица 5.5 – Расчет полной себестоимости разрабатываемого устройства
Статьи затрат
Норматив, %
Значение, руб.
Заработная плата всего
-
33,5
Основная зарплата
-
29,13
Дополнительная зарплата
15
4,37
Отчисления на социальные нужды
34,6
11,59
Сырье и материалы
-
3,59
-
838,02
Машинное время
-
3,35
Научные командировки
-
-
Прочие прямые затраты
-
-
Накладные расходы
100
33,5
Сумма затрат
-
924,7
Затраты на освоение
-
-
Затраты на сопровождение
-
-
Полная себестоимость
-
928,05
Покупные полуфабрикаты и
комплектующие изделия
5.4 Расчет отпускной цены и прибыли разрабатываемого устройства
Отпускная цена предприятия – это цена, при которой обеспечивается
возмещение текущих затрат производства и получение прибыли. Необходимо
рассчитать отпускную цену для устройства. Стоимостная оценка устройства
включает в себя следующие статьи:
 полную себестоимость разрабатываемого устройства (Сп);
 плановую прибыль от реализации на единицу (П);
 налог на добавленную стоимость (НДС).
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
49
Полная себестоимость (Сп) разработки рассчитывается как сумма затрат по
всем статьям с учетом рыночной стоимости аналогичных продуктов (см. табл. 5.5).
Плановая прибыль от реализации за единицу рассчитывается по следующей
формуле:
П = Сп ∙ R / 100,
(5.17)
где П – плановая прибыль от реализации, руб.;
R – уровень рентабельности, %.
Подставляя исходные данные в формулу (5.17), получим:
П = 928,05∙ 25 / 100 = 232,01 (руб.).
После расчета прибыли от реализации определим прогнозируемую цену
разрабатываемого устройства без налогов по следующей формуле:
Цп = Сп + П.
(5.18)
Отпускная цена (цена реализации) устройства включает налог на добавленную
стоимость (НДС – 20 %). Налог на добавленную стоимость (НДС) – косвенный
налог, форма изъятия в бюджет государства части стоимости устройства
рассчитывается по следующим формулам:
Цо = Сп + П + НДС,
(5.19)
НДС = Цп ∙ Норма НДС / 100.
(5.20)
Подставляя исходные данные в формулы (5.19) и (5.20), получим:
Цо = 924,7 + 232,01 + (1160,06 ∙ 20 / 100) = 1392,07 (руб.).
Прибыль от реализации устройства за вычетом налога на прибыль (Пч)
является чистой прибылью, остается организации разработчику и представляет собой
экономический эффект от создания устройства и рассчитывается по следующей
формуле:
Пч = П ∙ (1 – Нп / 100),
(5.21)
где Нп – ставка налога на прибыль (Нп = 18 %).
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
50
Подставляя исходные данные в формулу (5.21), получим:
Пч = 232,01 ∙ (1 – 18 / 100 ) = 190,24 (руб.).
Все выполненные расчеты сведем в таблицу 5.6.
Таблица 5.6 - Расчет отпускной цены и прибыли устройства
Статьи затрат
Норматив, %
Значение, руб.
Полная себестоимость
-
928,05
Прибыль
25
232,01
Прогнозируемая цена без
налогов
-
1160,06
НДС
20
232,01
Отпускная цена
-
1392,07
Чистая прибыль
18
190,24
В результате расчета окончательная отпускная цена портативного локатора
радиометок составила 1392,07 руб. При этом цена аналогичных устройств
начинается от 1300 руб.. Это означает то, что произведенное в дипломном проекте
устройство при производстве будет иметь неплохую конкурентоспособность и
займет свое место на рынке.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
51
6
ОХРАНА
ТРУДА,
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ,
6.1 Реализация информационной эргономической совместимости оператора и
технического средства
Совместимость – способность различных объектов – аппаратных или
программных компонентов взаимодействовать друг с другом. По отношению к
компьютерам можно выделить аппаратную (техническую), программную и
информационную совместимость:
 Аппаратная (техническая) совместимость – способность одного устройства
работать
с
узлами
другого
устройства.
Включает
в
себя
электромагнитную
совместимость.
 Информационная совместимость – способность двух или более систем адекватно
воспринимать одинаково представленные данные.
 Программная совместимость – способность выполнения одинаковых программ с
получением одних и тех же результатов.
В случае представления программ в виде двоичного кода, говорят о двоичной
совместимости. При наличии аппаратной, информационной и программной
совместимости устройств без ограничений для конечных пользователей говорят о
полной совместимости этих устройств. Совместимостью программ называется
способность программ к взаимодействию друг с другом, возможно, в рамках более
крупного программного комплекса. [10]
Система «человек–машина–среда» состоит из человека-оператора (группы
операторов), машины (технических устройств, орудий труда), посредством которой
оператор осуществляет трудовую деятельность, и среды (внешних условий труда), в
которой
эта
деятельность
осуществляется.
Человек-оператор
–
человек,
осуществляющий трудовую деятельность, основу которой составляет взаимодействие с
предметом труда, машиной и внешней средой посредством информационных систем
(моделей) и органов управления.
Все многочисленные системы «человек–машина–среда» имеют ряд общих черт.
Они, как правило, являются:
 сложными динамическими системами, состоящими из взаимодействующих
элементов различной природы и характеризующихся изменением во времени структуры
и (или) взаимосвязей компонентов;
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
52
 целеустремленными системами, то есть преследующими заданную цель путем
изменения своего поведения при изменении внешних условий, что обусловлено
включением в систему человека;
 адаптивными системами, способными приспосабливаться к изменяющимся
условиям работы благодаря гибкости и пластичности поведения человека и
адаптивности технических звеньев системы;
 самоорганизующимися
системами,
способными
к
уменьшению
энтропии
(неопределенности) после вывода системы из устойчивого, равновесного состояния под
действием различного рода возмущений, что определяется целенаправленной
деятельностью человека.
Таким образом, все рассмотренные особенности системы «человек–машина–
среда» определяются наличием в их составе человека, его возможностью правильно
решать возникающие задачи в зависимости от конкретных условий и обстановки.
По целевому назначению можно выделить следующие классы систем:
 управляющие (задачей человека является управление машиной – автомобилем,
самолетом, прокатным станом и др.);
 обслуживающие, к которым относятся контрольно-измерительные и ремонтные
системы (задачей человека является контроль состояния техники, поиск неисправностей
и их устранение);
 обучающие, например, тренажеры и имитаторы (обеспечивают выработку у
человека определенных навыков);
 информационные – локационные и информационно-поисковые системы
(обеспечивают поиск, накопление и получение необходимой человеку информации);
 исследовательские – информационно-экспертные системы, моделирующие
стенды, измерительные приборы (используются при анализе тех или иных явлений, при
поиске новой информации).[11]
Исходя из вышенаписанного можно определить систему, применимую к
разрабатываемому устройству и пользователю, как информационную, так как
устройство предназначено для поиска радиометок. Совместимость пользователя с
устройством организована с помощью:
 ЖК-дисплея, на который устройство в процессе работы выводит понятные
пользователю сообщения, а также отображает вводимую информацию;
 Клавиатуры, с помощью которой пользователь вводит команды понятные
устройству.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
53
На рисунке 6.1 показана структурная схема разрабатываемой системы «человекмашина» (СЧМ). Информация о состоянии объекта управления (ОУ) выдается
устройством преобразования и обработки информации (УПОИ) в виде электрических
сигналов на технические средства индикации (ТСИ). Средства индикации преобразуют
сигналы в видимое изображение, т.е. в наглядный образ, имитирующий состояние ОУ –
динамическую информационную модель.
Р
ТСИ
Центральная
нервная система
УПОИ
Э
Объект управления
ОУ
Рисунок 6.1 – Структурная схема разрабатываемой системы
Информационная модель – множество сигналов, несущих оператору информацию
об управляемом объекте и организованных в соответствии с определенной системой
правил. Прием информации человеком осуществляется с помощью рецепторов (Р).
На основе восприятия информационной модели в сознании человека создается
представление о состоянии реального объекта управления – концептуальная (от англ. –
представление) или психическая модель. В памяти человека хранится эталон,
соответствующий требуемому состоянию объекта. В результате сравнения психической
модели с эталоном человек принимает решение, которое реализует с помощью
эффекторов (Э) – органов движения или речи. Воздействуя на органы управления
сенсомоторных устройств (ОУ), он осуществляет целенаправленную деятельность в
соответствии с задачами, выполняемыми всей системой.
Устройства отображения информации (УОИ) – технические средства,
используемые для создания динамических информационных моделей управляемых или
контролируемых объектов. В зависимости от назначения устройства отображения
информации весьма разнообразны. В состав УОИ входят средства индикации и, как
правило, средства ввода информации. В разрабатываемом устройстве этими средствами
будут являться ЖК-дисплей и 20-клавишная клавиатура.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
54
Индикаторный прибор – конструктивно оформленный как единое целое
преобразователь входного сигнала в видимое изображение. Система отображения информации (СОИ) – комплекс устройств отображения информации и алгоритмов специальной обработки и подготовки информации, предназначенной для решения человеком
задач контроля и управления.
Таким образом, с помощью УОИ и СОИ осуществляется связь человека с
машиной в системе. С ростом сложности объектов управления, с непрерывным
увеличением числа параметров и их количественных характеристик (мощность,
производительность, скорость, объем и номенклатура выпускаемой продукции и др.)
повышаются требования к рациональному использованию ресурсов, обеспечивающему
максимальную эффективность производства. Задача оптимального согласования
деятельности человека-оператора и техники переросла в крупную проблему,
актуальность которой возрастает с годами, вызывая большой интерес широкого круга
специалистов-системотехников, психологов и физиологов, математиков и разработчиков
систем и средств отображения информации, специалистов по вычислительной и
информационной технике. [12]
6.2 Экологическая
диапазона
оценка
электромагнитных
полей
радиочастотного
В
результате
научно-технического
прогресса
широкое
применение
в промышленности, науке и быту в последние десятилетия получила электромагнитная
энергия (ЭМЭ) различных диапазонов частот. Так, энергия высоких и ультравысоких
радиочастот (ВЧ, УВЧ) широко применяется в радиосвязи, радиовещании, телевидении,
в промышленных установках и технологических процессах для нагрева, закалки и ковки
металлов, термической обработки диэлектриков и полупроводников. Электромагнитная
энергия сверхвысоких частот (СВЧ) получила широкое применение в радиолокации,
радионавигации, радиоастрономии, радиоспектроскопии, ядерной физике, медицине,
промышленности и быту. Кроме того, дальнейшее совершенствование новых типов
СВЧ-генераторов позволит в ближайшем будущем применять энергию СВЧ-диапазона
в радарных системах транспортных средств для предупреждения столкновений,
в дорожных системах сигнализации, в мощных системах наземной и спутниковой
связи и др.
В связи с этим значительное влияние на электромагнитный фон Земли, который
ранее формировался главным образом за счёт естественных источников космического,
земного и околоземного происхождения, стали оказывать искусственные источники
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
55
электромагнитного поля (ЭМП). В результате уже в настоящее время практически всё
население земного шара в большей или меньшей степени подвергается воздействию
надфоновых уровней ЭМП. Рассмотрим характеристики и источники электромагнитного
излучения.
Электромагнитное поле обладает определённой энергией и характеризуется
электрической и магнитной напряжённостью. Источниками электромагнитных
излучений служат радиотехнические и электронные устройства, индукторы,
конденсаторы термических установок, трансформаторы, антенны, фланцевые
соединения волноводных трактов, генераторы сверхвысоких частот и др.
Разрабатываемое устройство является локатором радиометок. Источником
электромагнитного излучения будет являться антенна устройства. Устройство работает
в УВЧ диапазоне. Для устройств, излучающих электромагнитные волны существуют
требования к уровню излучения, времени действия излучения.
Для жилой территории предельно допустимые уровни (ПДУ) распространяются
на диапазон частот 30 кГц - 300 ГГц. ПДУ ЭМП для населения при круглосуточном
непрерывном излучении в диапазоне частот 30 кГц - 30 ГГц указаны в таблице 6.1:
Таблица 6.1 – ПДУ ЭМП для диапазона частот 30 кГц - 30 ГГц
№ диапазона
Частоты
Длина волны
ПДУ
5
30 - 300 кГц
10 - 1 км
25 В/м
6
0,3 - 3 МГц
1 - 0,1 км
15 В/м
7
3 - 30 МГц
100 - 10 м
10 В/м
8
30 - 300 МГц
10 - 1 м
З В/м
9
300 - 3000 МГц
1 - 0,1 м
10 мкВт/см2
10
3 - 30 ГГц
10 - 1см
10 мкВт/см2
Уровни ЭМП в 9-10 диапазонах при импульсном излучении на жилой территории
в районах, действующих, проектируемых и реконструируемых радиолокационных
станций (РЛС), а также на территории, предназначенной для перспективного
градостроительного освоения в районе действующих РЛС, не должны превышать ПДУ,
указанных таблице 6.2. [13]
Для снижения интенсивности переизлучения плоскими поверхностями ЭМП
существуют следующие возможности:
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
56
 Удаление из зоны действия ЭМП металлических и металлизированных
переизлучателей; применение вместо них неметаллических конструкций;
 Уменьшение, где это возможно, площади поверхности конструкций, могущих
стать переизлучателями;
 Заземление переизлучателей, что эквивалентно подключению к переизлучателю
нагрузки, поглощающей часть улавливаемой ЭМЭ;
 Ориентирование
плоскости
переизлучателя
таким
образом,
чтобы
переизлученный поток ЭМЭ направить в "безопасную" зону или к земле, где он может
быть существенно ослаблен за счет поглощения и рассеяния.
Таблица 6.1 – Уровни ЭМП в 9-10 диапазонах при импульсном излучении
Режим работы
№
Длина
Назначение диапа волн, см
РЛС
зона
Отношение
Частота Время облучения продолжительности ПДУ,
сканиро с однопорядковой работы на излучение мкВт/с
м2
вания
интенсивностью к общему времени
работы в сутки
антенны, Гц
Метеорологические
РЛС и другие им подобные по
режиму
работы при
общей продолжительности работы 12 ч/сут
Обзорные
РЛС гражданской
авиации и
другие им
подобные по
режиму
работы
≤ 0,1
10
9
9
0,5
60
0
≤ 0,04 периода
сканирования
≤ 12 часов в сутки
1,0
10
0
≤ 12 часов в сутки
0,5
20
0,5
24
1
12
1
15
1
20
1
25
3 ± 20%
10 ± 15%
17 ± 15%
0,25
9
10 ± 20%
≤ 0,25
9
23 ± 15%
≤ 0,25
0
9
35 ± 15%
≤ 0,25
≤ 12 часов в сутки
≤ 0,05 периода
сканирования
≤ 0,02 периода
сканирования
≤ 0,02 периода
сканирования
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
57
Заметим, что все рекомендованные здесь меры не обеспечивают полного
подавления
переизлученного
не устраняется.
Однако
с
ЭМП,
поскольку
применением
их
процесс
можно
переизлучения
достигнуть
ими
существенного
уменьшения его интенсивности. [14] Поэтому, применяя разработанное устройство,
следует выполнять изложенные выше меры предосторожности для снижения
интенсивности ЭМП.
Для организации санитарно-защитной зоны существует методика расчёта
плотности потока энергии (ППЭ). Расчёт ППЭ электромагнитного поля с достаточной
точностью производится по формуле 6.1:
ППЭ(R) = ППЭo(R) • F2(θ)•Ф3,
(6.1)
где θ = Δ + Ԑ0,
ППЭ(R) – поверхностная плотность потока энергии в максимуме излучения,
F2(θ) – нормированная диаграмма направленности антенны,
R – дальность точки облучения,
Δ – угол облучения, образуемый линией горизонта, проведённой через центр
излучения,
Ԑ0 – угол места максимума излучения,
Ф3 – множитель, учитывающий влияние земли.
Δ = arctg((ha-H)/r)
(6.2)
где ha – высота антенны (центра излучения),
H – высота точки облучения.
Учёт влияния земли при расчёте ППЭ производится приближенно через
множитель Ф3. Для разрабатываемого устройства Ф3 = 1,1. Величина ППЭo(R)
определяется по формуле:
ППЭo(R) = 8Рср•G/r2,
(6.3)
где Рср – средняя мощность излучения,
G – коэффициент усиления антенны,
r – дальность до точки облучения.
Расстояние до точки облучения принимается приближенно равным его проекции
на линию горизонта.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
58
Рср = 103•Ри•Fn•τ•ηафт,
(6.4)
где Ри – импульсная мощность излучения,
Fn – частота повторения импульсов,
τ – длительность импульса,
ηафт – коэффициент, учитывающий потери сигнала в антенно-фидерном тракте
на передачу.
В случае, когда нормированная диаграмма направленности антенны неизвестна,
проводят её апроксимацию на основе известной ширины по уровню половинной
мощности. Для аппроксимации главного лепестка диаграммы направленности обычно
используют кривую Гаусса.
F2(θ) = e-0,69•(θ/θо) •(θ/θо),
(6.5)
где θо – половина ширины диаграммы направленности.
Определение ППЭ производится в следующем порядке:
Определяется разность высот ha-H антенны и точки облучения;
Рассчитывается угол облучения по формуле (6.2);
По известной величине угла места максимума излучения Ԑ0 находится значение
угла θ = Δ + Ԑ0 и отношение θ/θо;
Определяется значение F2(θ) по формуле (6.5);
Найденные значения подставляются в формулу (6.3), а затем в формулу (6.1). [15]
Выполнив расчёт для разработанного устройства было получено значение ППЭ
равное 155,8 мкВт/см2, при норме в 200 мкВт/см2 данный результат можно считать
удовлетворительным.
6.3 Энергосбережение при проектировании системы
В данной работе проектируется портативный активно-пассивный локатор
радиометок. Разработанное устройство позволит выполнить поиск радиометки по
заданному идентификатору. Проектируемая в данной работе система представляет
устройство из двух частей, каждая на базе микроконтроллеров. Первая часть, более
сложная, – это ридер. Второе устройство – Arduino Uno.
Питание системы осуществляется за счёт литий-полимерного аккумулятора.
Напряжение с него увеличивается до нужного для Arduino Uno с помощью DC-DC
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
59
преобразователя, а для ридера напряжения аккумулятора достаточно. Расход заряда
аккумулятора должен быть строго ограничен. Неверно спроектированная система может
допустить преждевременный расход аккумулятора, что приведёт к преждевременной
разрядке аккумулятора.
Проектируемая система работает от источника питания в 3,7 В, что исключает
возможности поражения пользователя током. Так же система не содержит взрывчатых
либо пожароопасных веществ. Передача сообщений по радиоканалу осуществляется в
диапазоне частот от 902 МГц до 928Мгц и мощностью передатчика в 27 дБм, что
безопасно для человека и домашних животных.
Рассчитаем энергопотребление модуля Arduino Uno при максимальном токе
потребления Ibв 50 мА и напряжении тока питания Uв 12 В, как указанно в
документации на устройство:
W1 = U•Ib•th = 5 • 12 •10-3 • 60 • 60 = 0,216 кВт/ч.
Рассчитаем количество энергии, необходимое для работы модуля Arduino Uno:
Wp=W1/3600 = 3,6 Вт
Второе устройство, потребляющее значительное количество энергии, – ридер
SpurkFun Simultaneous RFID Reader – M6E Nano. Исходя из документации к устройству,
оно потребляет 0,85 Вт энергии в рабочем режиме
Рассчитаем потребление тока для Arduino Uno:
I1=Wp/Uп = 3,6/12 = 0,3 А
Рассчитаем потребление тока для SpurkFun Simultaneous RFID Reader – M6E
Nano:
I2= 0,85/3,7 = 0,23 А
При использовании системы в активном режиме и ёмкости аккумулятора в
2000 мА/ч устройство будет работать на протяжении времени:
t = 2000 • 10-3 / 0,23 = 8,7ч.
Как видно из расчёта, время работы устройства составляет 8,7 часов. Такой
параметр работы вполне удовлетворяет требованиям к устройству. Следовательно, в
результате работы было спроектировано устройство, которое может в активном режиме
выполнять поиск радиометок в течении 8-ми часов.
Для уменьшения энергозатрат данного устройства на этапе разработки кода
программы можно настроить режим работы устройств на меньшее потребление энергии.
Однако, это может уменьшить производительность устройства. Рассчитанное время
работы устройства является удовлетворительным.
Проектирование устройства осуществлялось на персональном компьютере.
Рассмотрим методы энергосбережения при работе за компьютером.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
60
Операционная система играет в управлении энергопотреблением ключевую роль.
Она управляет всеми устройствами и должна решать, что и когда следует отключать.
Если надобность в отключаемом устройстве возникнет опять через короткий
промежуток времени, то при его повторном запуске могут возникать раздражающие
пользователя задержки. В то же время, если сильно затянуть с выключением устройства,
то энергия будет тратиться впустую.
Задача состоит в том, чтобы найти алгоритмы и эвристические правила,
позволяющие операционной системе принимать правильные решения о том, что и когда
следует отключать. Проблема в том, что понятие «правильные» носит сугубо
субъективный характер.
Одним из самых больших потребителей энергии на любом компьютере является
дисплей. Для получения яркой и сочной картинки экран должен иметь заднюю
подсветку, потребляющую немало энергии. Многие операционные системы пытаются
экономить энергию, выключая дисплей при отсутствии активной работы пользователя в
течение некоторого времени. Часто интервал бездействия, необходимый для этого
отключения, устанавливает сам пользователь, выбирая между часто гаснущим экраном и
быстро садящимися батареями. Выключение дисплея вводит его в состояние
бездействия, требующего практически мгновенного восстановления (из видеопамяти)
при нажатии клавиши или перемещении координатно-указательного устройства.
Другим главным потребителем является жесткий диск. Даже при отсутствии
обращений к нему он потребляет значительное количество энергии на вращение пластин
с постоянной высокой скоростью. Многие компьютеры, в особенности ноутбуки, после
определенного количества минут бездействия останавливают диск. При обращении к
диску он снова начинает вращаться. К сожалению, остановленный диск скорее
отключается, чем переходит в спящий режим, поскольку на его повторный запуск и
раскрутку уходит несколько секунд, составляющих вполне ощутимую задержку для
пользователя. Кроме того, на перезапуск диска затрачивается существенная
дополнительная энергия. Вследствие этого у каждого диска есть свой временной
показатель Td, являющийся точкой равновесия, которая часто находится в диапазоне
от 5 до 15 с. Предположим, что следующее обращение к диску ожидается через время t.
Если t < Td, то будет выгоднее не останавливать диск, чем его остановить и снова
запустить через такой промежуток времени. Если t > Td, то в интересах экономии
энергии лучше остановить диск и запустить его снова через более длинный промежуток
времени. Если могут быть выстроены достаточно реальные прогнозы (например, на
основе схем предыдущих обращений), операционная система может составить удачные
прогнозы на остановку диска и сэкономить электроэнергию. Но на практике
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
61
большинство систем действуют консервативно и останавливают диск только после
нескольких минут бездействия.
Еще один способ экономии энергии состоит в организации довольно емкого кэша
диска в оперативной памяти. Если нужный бок находится в кэше, то остановленный
диск не нужно запускать, чтобы выполнить запрос на чтение. По аналогии с этим, если
запись на диск может помещаться и буфер, находящийся в кэше, то обработка запроса на
запись может обойтись н без запуска остановленного диска. Диск может оставаться
остановленным до тех пор, пока не будет заполнен кэш или не будет получена ошибка
чтения блока из кэша.
Еще один способ, позволяющий избежать ненужных запусков диска, заключается
в том, чтобы операционная система снабжала запущенные программы информацией о
состоянии диска, отправляя им сообщения или сигналы. Некоторые программы могут
вести запись по собственному усмотрению, пропуская или откладывая эту операцию. К
примеру, текстовый процессор может быть настроен на запись редактируемого файла на
диск каждые несколько минут. Если ему известно, что диск остановлен в тот момент,
когда ему положено записывать на него файл, он может отложить эту запись до
следующего запуска диска.
Центральный процессор тоже может подвергаться энергосберегающим
мероприятиям. В ноутбуках центральный процессор может быть погружен в спячку
программным способом, что может снизить его энергопотребление почти до нуля. Все,
что он должен сделать в таком состоянии, – проснуться при возникновении прерывания.
Поэтому при любом простое – в ожидании завершения операции ввода-вывода или по
причине отсутствия задач – центральный процессор впадает в спячку.
На многих компьютерах наблюдается взаимосвязь между напряжением питания
центрального процессора, тактовой частотой и потреблением энергии. Напряжение
питания центрального процессора во многих случаях может быть снижено программным путем, что приводит к экономии энергии, по также ведет к снижению тактовой
частоты (примерно в линейной зависимости). Поскольку потребление электроэнергии
пропорционально квадрату напряжения, снижение напряжения вдвое приводит примерно к двойному падению скорости центрального процессора, но вчетверо снижает
энергопотребление.
Например, если пользователь набирает по одному символу в секунду, но работа,
необходимая для обработки символа занимает 100 мс, то операционной системе лучше
обнаружить продолжительные простои и десятикратно снизить скорость работы
процессора. Короче говоря, работа па пониженной скорости по сравнению с работой на
полной скорости с точки зрения экономии энергии является более эффективной. [16]
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения дипломного проекта был разработан портативный
активно-пассивный локатор радиометок. Портативный активно-пассивный локатор
радиометок представляет собой устройство, состоящее из плат Arduino. Стоит отметить,
что разработанное устройство работает от аккумулятора, соответственно не нуждается
в подключении к питанию с помощью проводов. Также было написано программное
обеспечение, обеспечивающее выполнение описанных в задании функций. Был
произведён расчёт полной себестоимости разработанной программы, а также
разработаны следующие документы:
 пояснительная записка;
 схема программы;
 схема электрическая структурная;
 схема электрическая функциональная;
 схема электрическая подключения;
 плакат.
Портативный активно-пассивный локатор радиометок – экспериментальная
разработка, обладающая, на данный момент, ограниченным набором функций.
Устройство обеспечивает ввод информации с помощью клавиатуры, вывод информации
на ЖК-дисплей, поиск радиометок по заданному идентификатору. Максимальное
расстояние, на котором возможно обнаружение радиометки составляет 5 м.
Для увеличения функциональности устройства можно добавить выполнение таких
операций с радиометками как:
 удаление радиометки;
 запись информации в ПЗУ радиометки;
 считывание информации из ПЗУ радиометки;
 смена пароля радиометки.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
63
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Что такое RFID // www.ids.by [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://www.ids.by/index.php/RFID-материалы/chto-takoe-rfid.html. Дата обращения –
23.04.2018.
2. Что такое RFID-система // www.ids.by [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://www.ids.by/index.php/RFID материалы/chto-takoe-rfid-sistema.html. Дата обращения
– 23.04.2018.
3. Zebra MC9000-G// www.iqsklad.ru [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://www.iqsklad.ru/catalog/model/49775.html. Дата обращения – 23.04.2018.
4. Nano Design Guide // www.thingmagic.com [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://www.thingmagic.com/images/stories/publicuserguides/Nano_Design_Guide_Apr15.pdf.
Дата обращения – 23.04.2018.
5. CH340DS1// cdn.sparkfun.com [Электронный ресурс] – Режим доступа:
https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Dev/Arduino/Other/CH340DS1.PDF. Дата обращения –
23.04.2018.
6. Arduino Uno// arduino.ru [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno. Дата обращения – 23.04.2018.
7. Микроконтроллер // Википедия. Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс]
– Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Микроконтроллер. Дата обращения –
23.04.2017.
8. Arduino Uno // www.farnell.com [Электронный ресурс] – Режим доступа:
https://www.farnell.com/datasheets/1682209.pdf. Дата обращения – 23.05.2017.
9. Экономические расчеты в дипломных проектах. Методическое пособие для
студентов спец. «Вычислительные машины, системы и сети», «Автоматизированные
системы обработки информации», «Искусственный интеллект». «Промышленная
электроника» / Кафедра экономики и организации строительства: Учреждение
образования «Брестский государственный технический университет» - Брест, 2013.
10. Совместимость (Информатика) // Википедия. Свободная энциклопедия.
[Электронный
ресурс]
–
Режим
доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/
Совместимость_(Информатика). Дата обращения – 23.05.2017.
11. Система «человек–машина–среда»// studopedia.ru [Электронный ресурс] – Режим
доступа:
https://studopedia.ru/11_75739_sistema-chelovekmashinasreda.html.
Дата
обращения – 23.05.2017.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
64
12. Информационная модель // metall-komcity.narod.ru [Электронный ресурс] – Режим
доступа: http://metall-komcity.narod.ru/site/articles-c-infa-b-6-a-1.htm. Дата обращения –
23.05.2017.
13. Защита от электромагнитных полей радиочастотного диапазона // www.bsuir.by
[Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.bsuir.by/m/12_113415_1_66446.pdf.
Дата обращения – 23.05.2017.
14. Методические рекомендации по уточнению электромагнитной обстановки //
www.alppp.ru
[Электронный
ресурс]
–
Режим
доступа:
http://www.alppp.ru/law/zdravoohranenie--fizicheskaja-kultura-i-sport--turizm/zdravoohraneni
e/65/metodicheskie-rekomendacii-po-utochneniyu-elektromagnitnoj-obstanovki-emo-v-mestah
-raspolo.html . Дата обращения – 23.05.2017.
15. Методические указания по определению и нормализации электромагнитной
обстановки
//
standartgost.ru
[Электронный
ресурс]
–
Режим
доступа:
https://standartgost.ru/g/pkey-14293750809. Дата обращения – 23.05.2017.
16. Современные операционные системы 4-е изд. / Таненбаум Эндрю С, Бос Херберт.
БрГТУ.141125 - 07 81 00
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
65