Імітаційне моделювання системи зв'язку стандарту IEEE 802.15.4 ZigBee в середовищі Matlab/Simulink

Сторчак, Максим  Валерійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8054

Title:	Імітаційне моделювання системи зв'язку стандарту IEEE 802.15.4 ZigBee в середовищі Matlab/Simulink
Authors:	Гавриш, Олександр Степанович Сторчак, Максим Валерійович
Keywords:	стандарт Zigbee;Simulink;моделювання;бібліотека компонентів
Issue Date:	2024
Abstract:	Для відтворення схеми Zigbee та моделювання її роботи використовувались різні блоки з бібліотек в середовищі моделювання Simulink. Створювалися загальні блоки (Zigbee Resiever та Zigbee Transmitter), які вміщали стандартні блоки з бібліотек. Після відтворення схеми в середовищі моделювання було проаналізовано роботу схеми.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8054
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Телекомунікації)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_172_ТК_Сторчак,Гавриш_2024.pdf Restricted Access		1.37 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ
КАФЕДРА РАДІОТЕХНІКИ ТА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ І РОБОТОТЕХНІЧНИХ
СИСТЕМ

Пояснювальна записка

до дипломного проекту(роботи)
бакалавр
(освітньо-кваліфікаційний рівень)

на тему: " Імітаційне моделювання системи мобільного зв'язку стандарту IEEE 802.15.4
ZigBee в середовищі Matlab/Simulink"

Виконав: студент 4 курсу, групи ТК-206ск
напряму підготовки (спеціальності)
172 – телекомунікації та радіотехніка
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)

Сторчак М.В.
(прізвище та ініціали)
Керівник Гавриш О.С.
(прізвище та ініціали)
Рецензент
(прізвище та ініціали)

Черкаси – 2024 року

Форма № Н-9.01

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра радіотехніки,телекомунікаційних і робототехнічних систем
Освітньо-кваліфікаційний рівень бакалавр
Спеціальність 172 – телекомунікації та радіотехніка

ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри В.В. Палагін
“ ” 2024 року

ЗАВДАННЯ
НА ВИПУСКНУ РОБОТУ СТУДЕНТУ

Сторчака Максима Валерійовича
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Імітаційне моделювання системи мобільного зв'язку стандарту IEEE
802.15.4 ZigBee в середовищі Matlab/Simulink

керівник проекту (роботи) Доцент Гавриш Олександр Степанович
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом вищого навчального закладу від «24» лютого 2024 року № 76/01

2. Термін здачі студентом закінченої роботи “ 30 ” травня 2024 року

3. Вихідні дані до роботи: _________________________________________________________
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)
Аналіз стандарту IEEE 802.15.4 ZigBee; обґрунтування середовища розробки, моделювання
функціональної схеми в Matlab/Simulink; охорона праці.

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень, плакатів)

_______________________________________________________________________________

6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються

Підпис, дата
Прізвище, ініціали та посада
Розділ завдання завдання
консультанта
видав прийняв
Охорона Праці Кожем’якін О.С.
старший викладач кафедри
Безпеки життєдіяльності

7. Дата видачі завдання ___________________11 січня 2024 року___________________

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
Строк виконання
№
Назва етапів дипломного проекту (роботи) етапів проекту Примітки
п/п
(роботи)
1 Аналіз технічного завдання та пошук літератури 11.02.24 – 25.03.24
2 Виконання розділу “АНАЛІЗ СТАНДАРТУ 26.03.24 – 17.04.24
IEEE 802.15.4 ZIGBEE”
3 Виконання розділу “ОБҐРУНТУВАННЯ 18.04.14 – 27.04.24
СЕРЕДОВИЩА МОДЕЛЮВАННЯ ”
4 Виконання розділу“МОДЕЛЮВАННЯ 27.04.24 – 15.05.24
СХЕМИ В MATLAB/SIMULINK”
5 Виконання розділу “ОХОРОНА ПРАЦІ” 15.05.24 – 29.05.24
6 Оформлення пояснювальної записки 1.06.24 – 10.06.24

Студент Сторчак М.В._
( підпис ) (прізвище та ініціали)

Керівник проекту (роботи) Гавриш О.С.__
( підпис ) (прізвище та ініціали)

ЗМІСТ
ВСТУП……………………………………………………………………………..4
1. АНАЛІЗ СТАНДАРТУ IEEE 802.15.4 ZIGBEE………………………………5
1.1 Історія та розвиток стандарту IEEE 802.15.4…………………………..........5
1.2 Архітектура та мережевий стек протоколів ZigBee………………………...8
1.3 Функціональні характеристики та технічні аспекти ZigBee……………...17
1.4 Безпека в бездротових мережах ZigBee……………………………………23
1.5 Висновки……………………………………………………………………..29
2. ОБҐРУНТУВАННЯ СЕРЕДОВИЩА МОДЕЛЮВАННЯ…………………30
2.1 Середовище моделювання MatLab/Simulink………………………………30
2.2 Обґрунтування вибору MatLab/Simulink…………………………………..41
2.3 Висновки……………………………………………………………………...44
3. МОДЕЛЮВАННЯ СХЕМИ В MATLAB/SIMULINK……………………...45
3.1 Побудова функціональної схеми в Matlab/Simulink………………………45
3.2 Принцип роботи схеми та результати моделювання……………………...51
3.3 Висновки……………………………………………………………………..55
4. ОХОРОНА ПРАЦІ……………………………………………………………56
4.1 Аналiз небезпечних та шкiдливостей, які впливають на працівників
науково-технічної лабораторії………………………………………………….56
4.2 Розрахунок штучного освітлення. Вибір джерела штучного освітлення..62
4.3 Висновки……………………………………………………………………..68
ВИСНОВОК……………………………………………………………………..69
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………………….70

ТК206.024412.248 ПЗ

Змн Арк. № докум. Підпис Дат
Ро. зроб. Сторчак М.В. а Імітаційне моделювання системи Літ. Арк. Аркушів
Перевір. Гавриш О.С. мобільного зв'язку стандарту IEEE 4 70
Рецен з. 802.15.4 ZigBee в середовищі
Н. Контр. Ma tlab/Simulink ЧДТУ
Затверд.

ВСТУП

За останні десятиліття бездротові технології стали неодмінною
частиною нашого повсякденного життя, відповідаючи на постійні потреби у
зручності та підвищеній ефективності. У цьому контексті технологія ZigBee
виходить на перший план, пропонуючи свої певні особливості.
ZigBee - це високорівневий протокол бездротової мережі, який
спеціально розроблений для використання в системах з низьким
споживанням енергії та великою масштабованістю. Він базується на
стандарті IEEE 802.15.4, який визначає фізичний та канальний рівні в мережі.
З такими особливостями ZigBee використовується в:
1. Системах “Розумний дім”;
2. Моніторингу та керуванні в промисловості;
3. Сільському господарстві;
4. Медичних пристроях та охорона здоров’я;
5. Автоматизації будівель.
В даній дипломній роботі буде розглянуто та промодельовано стандарт IEEE
802.15.4 ZigBee.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
5
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

1.1 Історія та розвиток стандарту IEEE 802.15.4

Започаткування стандарту IEEE 802.15.4 відбувалося за рахунок
широкого руху щодо розробки бездротових комунікаційних стандартів у 90-
х роках минулого століття. Основна мета цього руху полягала в тому, щоб
створити бездротову мережу з низьким споживанням енергії та високою
масштабованістю, яка була б ефективнішою в використанні в сенсорних
мережах та інтернеті речей (IoT).
IEEE 802.15.4 створювався для вирішення конкретних проблем, з якими
стикалися існуючі стандарти бездротових мереж. Ці проблеми включали
обмежену пропускну здатність, високе споживання енергії та складність у
встановленні та керуванні мережами. Однією з ключових особливостей
стандарту було забезпечення оптимізованого споживання енергії, особливо
для пристроїв, що працюють в режимі очікування або низького споживання
енергії.
Розробка стандарту IEEE 802.15.4 була проведена за участю
представників індустрії, академічних установ та стандартизаційних
організацій. Робота велася в рамках технічного комітету IEEE 802.15, який
спеціалізується на розробці стандартів бездротових мереж. Процес розробки
включав обговорення, тестування та узгодження різних аспектів стандарту,
включаючи фізичний та канальний рівні, управління мережею та інші
параметри.
Процес започаткування та покращення стандарту:
2002 рік - Започаткування ініціативи: ZigBee Alliance, яка складалася з
групи компаній-засновників (включаючи Motorola, Honeywell, Philips та
інші), була створена з метою розробки стандартів бездротової мережі для
домашнього та промислового використання.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
6
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

2003 рік – Прийняття стандарту: В цей рік був прийнятий стандарт. З
моменту прийняття пройшло кілька оновлень та розширень, щоб врахувати
змінювані потреби та технологічний прогрес в області бездротових
комунікацій.
2004 рік - Публікація першої версії стандарту: Перша версія стандарту
ZigBee була опублікована в 2004 році. Це відзначилося визначенням
характеристик бездротових пристроїв, які працюють на низькій потужності,
мають обмежену швидкість передачі даних і можуть бути використані для
безлічі застосувань, включаючи домашню автоматизацію, промисловість та
медичні пристрої.
2006 рік - Розширення можливостей: В 2006 році було випущено нову
версію стандарту, яка додала додаткові функції та покращення, такі як
підтримка безпеки та мережевого керування.
2007 рік - Початок комерційного впровадження: Перші продукти,
сумісні зі стандартом ZigBee, були випущені на ринок. Це сприяло
поширенню та прийняттю стандарту у промисловості та споживчому ринку.
Після 2007 року стандарт ZigBee продовжував свій розвиток і адаптацію
до змін в технологічному середовищі та вимогах ринку. Тобто відбувалася
еволюція технологій, але й були певні проблеми такі як конкуренція, з якою
боровся стандарт ZigBee. В цей час, коли створювався та вдосконалювався
ZigBee, були бездротові протоколи Z-Wave, Thread та інші, які теж
вдосконалювалися. Зі сторони ZigBee відбувалось все більше та більше
інтеграцій з іншими технологіями, що дозволяло створювати все більш
зручні рішення для кінцевих користувачів. Відбувався розвиток стандартів
суміжних з ZigBee, де розроблялися та запроваджувалися інші стандарти,
такі як ZigBee Pro.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
7
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

1.2 Архітектура та мережевий стек протоколів ZigBee.

Архітектура ZigBee складається з різних компонентів, які працюють
разом для забезпечення бездротового зв'язку у вбудованих системах та інших
застосуваннях.
Основні складові архітектури ZigBee включають:
1. Фізичний шар (PHY);
2. Канальний шар (MAC);
3. Мережевий шар (NTW);
4. Застосунковий шар (APL).

Фізичний рівень (PHY):

Фізичний шар (PHY) визначає методи передачі даних через бездротове
середовище. Для ZigBee використовується стандарт IEEE 802.15.4 PHY, який
визначає такі аспекти:
• Частотний діапазон: Стандарт охоплює декілька радіочастотних
діапазонів, таких як 2,4 ГГц, 868 МГц та 915 МГц, що дозволяє
пристроям працювати в різних частинах світу;
• Модуляція: IEEE 802.15.4 визначає методи модуляції сигналів, такі як
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) для забезпечення ефективного
використання радіочастотного спектру та мінімізації впливу перешкод;
• Швидкість передачі даних: Стандарт визначає різні швидкості
передачі даних, які можуть бути використані в мережі ZigBee,
наприклад, 250 кбіт/с для 2,4 ГГц діапазону;

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
8
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Споживання енергії: PHY також розглядає аспекти
енергоефективності, що є важливим для вбудованих систем та
мобільних пристроїв, які працюють на батарейках;

Тобто фізичний шар у мережі ZigBee відповідає за передачу даних через
радіоканал та забезпечує базові механізми для бездротового зв'язку між
вузлами мережі.

Канальний Шар (MAC):

Канальний шар (MAC - Medium Access Control) в архітектурі ZigBee
відповідає за управління доступом до бездротового каналу. Він регулює
взаємну передачу даних між вузлами мережі, керує розподілом часу та
ресурсів.
Основні функції та характеристики канального шару ZigBee включають:

• Контроль доступу до каналу: Канальний шар вирішує конфлікти в
доступі до каналу, контролюючи, який вузол має право передавати дані
в певний момент часу.
• Методи доступу: ZigBee використовує різні методи доступу, такі як
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), який
перед відправкою перевіряє наявність сигналу на каналі і уникає колізій,
або TDMA (Time Division Multiple Access), який розділяє час на слоти,
дозволяючи вузлам передавати в окремі часові інтервали.
• Формування фреймів: Канальний шар формує фрейми, або кадри, які
містять дані для передачі, а також службову інформацію, таку як адреси
відправника та отримувача, контрольні суми тощо.
• Обробка помилок: MAC включає механізми для виявлення та
виправлення помилок в переданих даних, що підвищує надійність
комунікації.
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
9
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Керування енергоспоживанням: Канальний шар може включати
механізми для керування енергоспоживанням, які дозволяють
пристроям переходити у режим очікування для збереження енергії.

Канальний шар визначає основні правила та процедури, які регулюють
передачу даних в мережі ZigBee та дозволяють їй ефективно працювати в
бездротовому середовищі.

Мережевий шар (NTW):

В архітектурі ZigBee, мережевий шар (NWK - Network Layer) відповідає
за створення, управління та підтримку мережевої топології. Він включає в себе
процеси динамічної адресації вузлів, маршрутизації даних і керування
мережею.
Основні функції та характеристики мережевого шару включають:

• Формування та керування мережею: Мережевий шар визначає методи
формування мережі, приєднання нових вузлів, виявлення та видалення
вузлів, а також переходи між різними топологіями.
• Адресація вузлів: На мережевому рівні визначається адресація вузлів у
мережі, включаючи призначені адреси та адреси маршрутизаторів.
• Маршрутизація даних: Мережевий шар вирішує, які маршрути
використовуються для передачі даних від вихідного вузла до
призначеного, враховуючи мережеву топологію та стан каналу.
• Управління мережевим трафіком: На цьому рівні вирішуються
питання стійкості мережі, керуванням каналами та ресурсами, а також
оптимізацією потоків даних.
Мережевий шар визначає основні принципи та алгоритми, які забезпечують
ефективну та надійну роботу мережі ZigBee, враховуючи обмежені ресурси,
характеристики бездротового зв'язку та вимоги до різних застосунків.
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
10
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Застосунковий шар (APL):
Застосунковий шар (APL - Application Layer) в архітектурі ZigBee
відповідає за протоколи та процеси, які використовуються для конкретних
застосувань у мережі ZigBee. Це може включати в себе протоколи керування
вузлами, обмін даними, безпеку та інші функції.
Основні функції та характеристики застосункового шару включають:

• Протоколи інтерфейсів: APL визначає протоколи, які
використовуються для взаємодії між додатками на вузлах мережі. Це
може включати стандартні протоколи такі як MQTT, CoAP, або власні
протоколи, розроблені для конкретних застосунків.
• Управління вузлами: APL визначає протоколи та механізми для
управління вузлами мережі, включаючи реєстрацію, налаштування та
управління функціями вузлів.

• Обмін даними: Застосунковий шар визначає формати даних, що
передаються між вузлами, а також протокчёоли для їх обміну та
обробки.
• Керування мережею: Застосунковий шар може включати механізми
для керування ресурсами мережі, розподілу пропускної здатності та
оптимізації роботи мережі під час виконання конкретних завдань.

Застосунковий шар визначає високорівневі протоколи та процеси, які
дозволяють реалізувати різноманітні застосунки на базі мережі ZigBee,
включаючи системи домашньої автоматизації, моніторингу, управління
енергозбереженням та інші.
Формування мережі ZigBee включає в себе розгляд трьох основних типів
пристроїв: координаторів, маршрутизаторів і кінцевих пристроїв:

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
11
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Координатор (Coordinator):
• Координатор є центральним елементом мережі ZigBee.
• Кожна мережа ZigBee повинна мати щонайменше одного
координатора.
• Координатор ініціює процес формування мережі та керує нею.
• Він відповідає за синхронізацію мережі, розподіл адрес, керування
енергоспоживанням та інші важливі функції.

Рисунок 1.1 – Координатор ZBDongle-E

Маршрутизатор (Router):
• Маршрутизатори служать для передачі даних між пристроями в
мережі.
• Вони допомагають підтримувати надійну мережу, допомагаючи в
ретрансляції пакетів даних та знаходженні оптимальних шляхів.
• Маршрутизатори можуть бути використані для розширення зони
покриття мережі.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
12
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.2 – Приклад роутера MULTIROUTER SM-4Z

Кінцеві пристрої (End Device):

• Кінцеві пристрої є кінцевими вузлами в мережі ZigBee.
• Вони зазвичай виконують конкретні завдання або функції, такі як
сенсори, вимикачі, вузли збору даних тощо.
• Кінцеві пристрої можуть входити в сплячий режим для зменшення
споживання енергії, активуючись лише при потребі в передачі або
прийомі даних.
• При формуванні мережі кожен з цих типів пристроїв відіграє важливу
роль у забезпеченні надійності та ефективності комунікації в мережі
ZigBee.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
13
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Кінцеві пристрої ZigBee включають в себе різноманітні пристрої, які
використовуються для різних цілей і застосувань. Ось деякі типи кінцевих
пристроїв ZigBee:
Сенсори:
• Температурні сенсори.
• Вологості сенсори.
• Датчики руху.
• Датчики світла.
• Датчики газів та диму.
• Датчики звуку.

Рисунок 1.3 – Датчик вологості грунту.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
14
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Вимикачі та диммери:
• Бездротові вимикачі освітлення.
• Диммери для керування яскравістю світла.
Медичні пристрої:
• Монітори пульсу.
• Медичні сенсори та пристрої для вимірювання показників здоров'я.
Актюатори:
• Моторизовані пристрої, такі як засувки та клапани.
• Електронні заливні пристрої.
• Розетки та перетворювачі струму.
Системи безпеки:
• Датчики відкриття вікон та дверей.
• Датчики руху та вторгнення.
• Сповіщувачі пожежі та системи безпеки.
Системи автоматизації будинку:
• Управління освітленням та опаленням.
• Керування системою кондиціонування повітря.
• Автоматизація пристроїв для економії енергії.
Принципи маршрутизації та передачі даних в мережі ZigBee включають в
себе кілька ключових аспектів, які дозволяють забезпечити ефективну та
надійну комунікацію між пристроями.

Ось деякі з них:
1. Маршрутизація: У мережі ZigBee кожен пристрій може діяти як
маршрутизатор, що дозволяє пакетам даних проходити через
декілька проміжних вузлів для досягнення свого пункту призначення.
Маршрутизатори в мережі допомагають визначати найкоротший
шлях та пересилати пакети даних від одного вузла до іншого.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
15
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

2. Самоорганізація: Мережа ZigBee може самостійно організовуватися
та адаптуватися до змін у конфігурації мережі та зовнішніх умов.
Протоколи маршрутизації забезпечують автоматичне знаходження та
оптимізацію маршрутів.
3. Динамічна маршрутизація: Протоколи маршрутизації в мережі
ZigBee можуть адаптуватися до змін у топології мережі та рівнів
сигналу. Вони можуть автоматично перераховувати маршрути в разі
виявлення перешкод або змін у мережевому середовищі.
4. Керування енергоспоживанням: Маршрутизаційні протоколи
враховують споживання енергії пристроїв та можуть оптимізувати
маршрути для збереження енергії. Наприклад, вони можуть вибирати
маршрути з меншим кількістю проміжних вузлів, що дозволяє
зменшити споживання енергії.
5. Підтримка QoS (Quality of Service): Мережеві протоколи можуть
враховувати вимоги до якості обслуговування та пріоритизувати
передачу даних відповідно до їх важливості.
Ці принципи спільно забезпечують ефективну та надійну передачу даних в
мережі ZigBee, що робить її популярною для використання в різних
бездротових застосунках.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
16
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

1.3 Функціональні характеристики та технічні аспекти ZigBee
ZigBee - це бездротовий протокол, який використовується для створення
невеликих, енергоефективних мереж в інтернеті речей (IoT). Він має ряд
функціональних характеристик, які роблять його відмінним від інших
бездротових протоколів:
1. Низьке споживання енергії: Однією з основних характеристик ZigBee
є низьке споживання енергії, що робить його ідеальним для
енергоефективних додатків, таких як датчики або електромережі.
2. Мережева топологія з малою кількістю вузлів: ZigBee використовує
мережеву топологію з малою кількістю вузлів, що дозволяє створювати
масштабовані мережі IoT.
Вибір мережевої топології залежить від конкретних потреб і вимог системи.
У випадку ZigBee, зазвичай використовують такі топології:

• Зіркова топологія: У зірковій топології всі вузли з'єднані з
центральним контролером. Це проста топологія, де всі дані проходять
через центральний вузол. Вона підходить для невеликих мереж з
невеликою кількістю вузлів.

Рисунок 1.4 – Зіркова топологія

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
17
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Деревоподібна топологія: У деревоподібній топології вузли
організовані у вигляді ієрархічної структури, де кожен вузол може
мати один або кілька дочірніх вузлів. Ця топологія дозволяє
створювати більш великі мережі, де дані передаються через проміжні
вузли до цільового вузла.

Рисунок 1.5 – Деревноподібна топологія

• Мешкова (mesh) топологія: У мешковій топології кожен вузол може
бути з'єднаний з будь-яким іншим вузлом у мережі. Це створює
більшу надійність і забезпечує більшу покриття мережі, оскільки
вузли можуть працювати як маршрутизатори для передачі даних.

Рисунок 1.6 – Мешкова топологія

Зазвичай, мережева топологія з малою кількістю вузлів використовується
для простих додатків IoT або там, де кількість вузлів обмежена. Наприклад, в
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
18
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

зірковій топології кожен вузол має пряме з'єднання з центральним вузлом, що
робить її простою для управління та обслуговування, але менш ефективною в
обробці великої кількості вузлів.
1. Маленький обсяг пакетів - це характеристика протоколу ZigBee, що
вказує на обмежений розмір пакетів даних, які можуть бути передані в
мережі.

Ключові аспекти маленького обсягу пакетів:
• Ефективність передачі даних: Маленький розмір пакетів дозволяє
ефективно передавати невеликі обсяги інформації по мережі. Це
особливо корисно в застосунках Інтернету речей, де дані, як правило,
обмежені.
• Енергоефективність: Передача менших пакетів даних сприяє
зменшенню споживання енергії, особливо для пристроїв, які
працюють на батарейках. Це дозволяє забезпечити довший термін
служби батарей.
• Швидкість передачі: Менші пакети даних можуть бути передані
швидше через мережу, що дозволяє забезпечити високу пропускну
здатність та зменшити затримки.
• Менше навантаження на мережу: Менші пакети даних займають
менше пропускної здатності та ресурсів мережі, що дозволяє
підтримувати більше пристроїв у мережі без втрати продуктивності.
• Менше інтерференції: Зменшення розміру пакетів даних може
допомогти знизити інтерференцію в бездротовому середовищі,
оскільки менші пакети менше конкурують за доступ до бездротового
каналу.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
19
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

У контексті застосувань IoT та бездротових мереж, маленький обсяг пакетів
даних є важливою характеристикою, оскільки дозволяє ефективно
використовувати ресурси мережі та забезпечувати ефективний обмін
інформацією між пристроями.
2. Мережевість мережі - є ключовою характеристикою протоколу ZigBee.
Вона визначає здатність вузлів в мережі до автоматичного
перенаправлення даних через інші вузли для досягнення кінцевої точки
(destination node).
Основні аспекти мережевості мережі в ZigBee:
• Автоматичне маршрутизування: Вузли в мережі ZigBee можуть
співпрацювати для автоматичного визначення оптимального
маршруту для передачі даних від вихідного вузла до призначеного
вузла. Це дозволяє створювати мережі, які можуть перенаправляти
дані навіть у випадку втрати певних вузлів або перешкод на шляху
передачі.
• Динамічне перенаправлення: У мережі ZigBee маршрути до
кінцевої точки можуть змінюватися в залежності від умов мережі, її
навантаження та доступності вузлів. Це дозволяє мережі
адаптуватися до змін в реальному часі і забезпечувати оптимальну
шлях передачі даних.
• Висока надійність: Мережевість мережі допомагає підвищити
надійність мережі, оскільки вона може обхідати проблемні точки або
вузли, що відмовляють у роботі, шляхом використання
альтернативних маршрутів.
• Масштабованість: Мережевість мережі дозволяє створювати
масштабовані мережі з великою кількістю вузлів, оскільки кожен
вузол може допомагати в передачі даних іншим вузлам.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
20
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Динамічне керування мережею: Завдяки мережевості мережі
можливе динамічне керування мережею, включаючи оптимізацію
маршрутів, розподіл навантаження та виявлення проблем в мережі.
Мережевість мережі є важливою характеристикою для створення
ефективних та надійних бездротових мереж, зокрема для застосувань
Інтернету речей, де важлива здатність мережі адаптуватися до змінних умов
та забезпечувати надійний обмін даними.
3. Широка підтримка пристроїв: в контексті протоколу ZigBee вказує на
його здатність працювати з різноманітними типами пристроїв у мережі
IoT (Інтернет речей).
Аспекти, які підтримують цю характеристику:
• Різноманітність пристроїв: Протокол ZigBee підтримує
різноманітні типи пристроїв, від простих датчиків температури і
вологості до більш складних пристроїв управління освітленням,
систем безпеки, розумних розеток, та інших.
• Ефективність для батарейних пристроїв: ZigBee може бути
особливо корисним для батарейних пристроїв, так як його протокол
передачі даних дозволяє знизити споживання енергії, що дозволяє
більш тривалий термін служби батареї.
• Безпека: Протокол ZigBee має вбудовані механізми безпеки, що
робить його привабливим для застосувань, де важлива
конфіденційність та захист від несанкціонованого доступу.
• Простота підключення: Благодаря простому процесу підключення,
пристрої можуть легко додаватися до мережі ZigBee, що робить його
привабливим для широкого кола користувачів.
Ці аспекти дозволяють протоколу ZigBee бути популярним в різних
галузях, де потрібна надійна та ефективна мережа IoT з широким спектром
пристроїв. Протокол ZigBee підтримує різноманітні типи пристроїв, від
простих датчиків до складних систем управління освітленням та опаленням.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
21
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

4. Висока пропускна здатність - це характеристика протоколу ZigBee, яка
вказує на його здатність передавати дані з високою швидкістю та
ефективністю.
Аспекти, які визначають високу пропускну здатність у протоколі ZigBee:
• Швидкість передачі даних: ZigBee забезпечує високу швидкість
передачі даних, що дозволяє ефективно обмінюватися інформацією
між пристроями в мережі.
• Ефективне використання каналу зв'язку: Протокол ZigBee
оптимізований для ефективного використання бездротового каналу
зв'язку, що дозволяє максимально використовувати доступну
пропускну здатність.
• Маленький обсяг пакетів: Використання маленьких пакетів даних
допомагає підвищити пропускну здатність мережі, оскільки менший
обсяг даних може бути переданий за коротший час.
• Мережева топологія: Завдяки мережевій топології, яка дозволяє
вузлам працювати як маршрутизатори, дані можуть передаватися
через кілька шляхів, що сприяє підвищенню загальної пропускної
здатності мережі.
Ці аспекти дозволяють протоколу ZigBee бути ефективним рішенням для
застосувань, де важлива висока пропускна здатність, таких як домашня
автоматизація, моніторинг промислових процесів, охоронні системи, та інші
вимогливі додатки IoT.
Функціональні характеристики, що були наведені вище, роблять ZigBee
популярним протоколом для використання в різних додатках Інтернету речей,
таких як домашні автоматизаційні системи, промислові моніторингові
системи, медичні пристрої та інші.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
22
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

1.4 Безпека в бездротових мережах ZigBee

ZigBee - це бездротовий протокол, який широко використовується в
системах "розумного дому", мережах IoT (Інтернет речей), медичних
пристроях та інших промислових та споживчих застосуваннях. Однак безпека
в бездротових мережах ZigBee має важливе значення, оскільки вони можуть
бути піддані різним видам атак.

Методи для забезпечення безпеки в бездротових мережах ZigBee:
1. Шифрування даних - це процес перетворення звичайного тексту
(відомого як "відкритий текст") в криптографічно захищений текст
(відомий як "шифртекст") за допомогою спеціального алгоритму та
ключа. Цей процес робить шифртекст незрозумілим для всіх, хто не має
відповідного ключа для розшифрування.

Кроки, які включаються в процес шифрування:
• Вибір шифрувального алгоритму - вибирається алгоритм, який
виконуватиме шифрування. Наприклад, популярним алгоритмом є
Advanced Encryption Standard (AES), який використовується для
шифрування в багатьох сучасних системах.
• Вибір ключа - для шифрування необхідно мати ключ. Ключ - це
випадкова послідовність бітів або символів, яка визначає спосіб, яким
виконується шифрування та розшифрування. Важливо, щоб ключ був
достатньо складним і довгим для утруднення перехоплення або зламу.
• Виконання шифрування - за допомогою вибраного алгоритму та
ключа відкритий текст перетворюється в шифртекст. Шифрувальний
алгоритм виконує різноманітні математичні операції над відкритим
текстом згідно з ключем, що призводить до створення шифртексту.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
23
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Передача або зберігання шифртексту: Отриманий шифртекст може
бути переданий по мережі або збережений у безпечному місці.
Шифртекст є незрозумілим для тих, хто не має ключа для його
розшифрування.
Шифрування використовується для забезпечення конфіденційності та
цілісності даних у безпеки від несанкціонованого доступу. Тільки особи або
пристрої з відповідним ключем можуть розшифрувати та отримати доступ до
відкритого тексту.

2. Аутентифікація: В мережах ZigBee, аутентифікація грає важливу роль
у забезпеченні безпеки та конфіденційності передачі даних. Оскільки
ZigBee використовується в різних видах промислових та споживчих
застосувань, включаючи "розумні доми" та медичні пристрої,
забезпечення аутентифікації є важливим аспектом його безпеки.

Методи аутентифікації, які можуть бути використані в мережах ZigBee:
• Ключі безпеки: Кожен пристрій в мережі ZigBee може мати свій
власний унікальний ключ безпеки. Ці ключі використовуються для
аутентифікації та шифрування даних, що передаються між
пристроями в мережі.
• Обмін ключами: Під час ініціалізації мережі пристрої можуть
обмінюватися ключами безпеки для встановлення взаємної довіри та
аутентифікації.
• Керування ключами: Мережний адміністратор може керувати
розподілом ключів та аутентифікаційними параметрами для
забезпечення безпеки мережі.
• Перевірка ідентичності: Протоколи ZigBee можуть містити
механізми для перевірки ідентичності пристроїв перед дозволом їм
приєднатися до мережі.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
24
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Захист від атак перехоплення та випадкової передачі даних:
Механізми аутентифікації допомагають запобігти атакам, таким як
перехоплення даних або випадкова передача інформації в мережі.
Усі ці методи спрямовані на забезпечення того, що тільки довірені
пристрої мають доступ до мережі ZigBee та можуть обмінюватися даними
в безпечний спосіб.

3. Контроль доступу до мережі: Контроль доступу до мережі ZigBee
включає в себе різні стратегії та методи, що дозволяють керувати
доступом пристроїв до мережі та забезпечити її безпеку.

Стратегії та методи контролю доступу:
• Фільтрація MAC-адрес: Можливість обмежити доступ до мережі
лише пристроям з певними MAC-адресами може бути використана
для контролю доступу.
• Використання ключів безпеки: Застосування ключів безпеки для
доступу до мережі та обміну даними може допомогти забезпечити,
що лише довірені пристрої можуть приєднуватися до мережі та
взаємодіяти з нею.
• Ролі та привілеї: Визначення ролей та привілеїв для різних
пристроїв в мережі дозволяє керувати тим, які дії та операції можуть
вони виконувати.
• Обмеження зон покриття: Можливість обмежити зону покриття
мережі може бути використана для зменшення ризику
несанкціонованого доступу до мережі ззовні.
• Автентифікація та шифрування: Використання механізмів
аутентифікації та шифрування даних допомагає у запобіганні
несанкціонованого доступу та перехоплення інформації в мережі.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
25
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Моніторинг та журналювання подій: Проведення моніторингу та
запису подій у мережі допомагає вчасно виявляти можливі загрози
безпеці та реагувати на них.
Контроль доступу до мережі ZigBee важливий для забезпечення безпеки та
захисту від різних видів загроз, що можуть виникнути у мережевому
середовищі. Оптимальні стратегії контролю доступу можуть різнитися в
залежності від конкретних потреб та вимог вашої мережі.

4. Оновлення програмного забезпечення: Оновлення програмного
забезпечення є важливою складовою забезпечення безпеки в мережах
ZigBee, так само як і в будь-якій іншій інформаційній системі.

Аспекти, пов'язані з оновленням програмного забезпечення в контексті мереж
ZigBee:
• Виявлення і виправлення вразливостей: Перш за все, оновлення
програмного забезпечення дозволяє вирішувати виявлені вразливості та
помилки в протоколах, стеках та програмному забезпеченні, що
використовуються в мережах ZigBee.
• Покращення безпеки: Оновлення можуть містити нові методи
шифрування, аутентифікації та інші заходи безпеки, що поліпшують
захист мережі.
• Виправлення помилок та усунення недоліків: Оновлення також
можуть містити виправлення помилок, що можуть впливати на роботу
мережі, такі як проблеми зі стабільністю чи невірним функціонуванням.
• Підтримка нових функцій і стандартів: Оновлення програмного
забезпечення можуть додавати підтримку нових функцій, протоколів
або стандартів, що дозволяє мережам ZigBee використовувати нові
можливості та інтегруватися з іншими системами.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
26
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Управління і розгортання: Ефективне управління оновленнями
програмного забезпечення дозволяє забезпечити швидке розгортання
виправлень і покращень в усіх пристроях та компонентах мережі.
Загалом, регулярні оновлення програмного забезпечення в мережах ZigBee є
ключовим елементом забезпечення їх безпеки, стабільності та
функціональності.

5. Моніторинг та виявлення загроз: Моніторинг та виявлення загроз є
важливими елементами безпеки в мережах ZigBee, так само як і в будь-
яких інших інформаційних системах.

Аспекти моніторингу та виявлення загроз:
• Системи моніторингу мережі: Використання спеціальних систем
моніторингу дозволяє відстежувати активність у мережі ZigBee. Це
може включати аналіз трафіку, виявлення незвичайної активності,
перевірку зв'язку між пристроями та інше.
• Аналіз журналів подій: Збір та аналіз журналів подій дозволяє
виявляти аномалії, незвичайні події або спроби несанкціонованого
доступу до мережі.
• Виявлення атак і вразливостей: Важливо мати системи, які можуть
виявляти потенційні атаки, використовуючи відомі вразливості
протоколів або програмного забезпечення.
• Моніторинг безпеки мережевого трафіку: Інструменти моніторингу
можуть допомагати відслідковувати мережевий трафік, виявляти
аномальні пакети чи спроби несанкціонованого доступу.
• Системи сповіщень та реагування: Важливо мати системи сповіщень,
які можуть швидко повідомляти адміністраторів про потенційні загрози,
а також системи реагування для ефективного врегулювання ситуацій.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
27
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Постійне оновлення і аналіз стану безпеки: Постійне оновлення та
аналіз стану безпеки мережі, включаючи виявлення вразливостей,
відповідь на знайдені загрози та впровадження відповідних заходів
безпеки, є важливими компонентами ефективного моніторингу та
виявлення загроз.
Моніторинг та виявлення загроз допомагають реагувати на потенційні
проблеми у мережі ZigBee та забезпечувати її безпеку в реальному часі.
Враховуючи розвиток технологій та появу нових загроз, важливо постійно
оновлювати стратегії безпеки та використовувати найбільш сучасні методи
захисту в бездротових мережах ZigBee.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
28
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

1.5 Висновки

ZigBee - це високорівневий протокол бездротової мережі, який
спеціально розроблений для використання в системах з низьким
споживанням енергії та великою масштабованістю.
ZigBee базується на стандарті IEEE 802.15.4. IEEE 802.15.4 визначає 3
рівні мережевого стеку OSI:
1. Фізичний;
Фізичний рівень визначає характеристики фізичного з'єднання, такі як
радіочастотний діапазон, методи модуляції, схеми кодування тощо.
2. Канальний;
Відповідає за передачу фреймів даних між пристроями в мережі та
керування доступом до мережі, керування доступом до каналу та виявлення
та виправлення помилок.
3. Мережевий;
У протоколі ZigBee мережевий рівень використовує механізми
маршрутизації та керування мережевими адресами для забезпечення
доставки даних від джерела до призначення. Відповідає за маршрутизацію
даних через мережу та керування адресами пристроїв.
ZigBee застосовується в різних областях такі як медицина, агрономія,
автоматизація будинку і тому подібне. ZigBee є не дорогим варіантом
автоматизації і є мало енергозатратним в зрівнянні з іншими системами лише
тому, що в час неактивності він переходить в режим очікування, що і
дозволяє економити заряд на батарейному живленні.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
29
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

2. ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ СЕРЕДОВИЩА MATLAB/SIMULINK

2.1 Середовище моделювання MatLab/Simulink
Matlab
MatLab (Або Matrix Laboratory) - пакет прикладних програм
для числового аналізу, а також мова програмування, що використовується в
даному пакеті. Система створена компанією The MathWorks і є зручним
засобом для роботи з математичними матрицями, малювання функцій, роботи
з алгоритмами, створення робочих оболонок (інтерфейсів користувача) з
програмами в інших мовах програмування. Хоча цей продукт спеціалізується
на чисельному обчисленні, спеціальні інструментальні засоби працюють з
програмним забезпеченням Maple, що робить його повноцінною системою для
роботи з алгеброю. MATLAB дозволяє виконувати різноманітні обчислення,
включаючи математичні обчислення, моделювання, аналіз даних,
візуалізацію, розв'язання задач оптимізації та інше.
Основні характеристики MatLab:
1. Мова програмування MATLAB - MATLAB має власну мову
програмування, яка спеціально розроблена для наукових та
інженерних обчислень. це вищорівнева мова програмування, яка
має синтаксис, схожий на інші мови програмування, такі як
Python, і використовується для чисельних обчислень, статистики,
аналізу даних, візуалізації та розв'язання різноманітних
математичних завдань. MATLAB є основною мовою для
створення скриптів та алгоритмів у Simulink, і вона інтегрована з
Simulink для додаткових можливостей програмування та аналізу
моделей. Ця мова має багатий набір вбудованих функцій та
операторів для роботи з матрицями, векторами, числовими
обчисленнями та іншими завданнями.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
30
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

2. Інтерактивне середовище розробки (IDE) - MATLAB має своє
власне інтерактивне середовище розробки (IDE), яке називається
MATLAB Desktop. MATLAB надає інтерактивне середовище
розробки, яке дозволяє виконувати обчислення, виконувати та
редагувати код, а також візуалізувати результати в реальному часі.
3. Бібліотеки функцій та інструменти - MATLAB має широкий
набір бібліотек функцій та інструментів, які допомагають
вирішувати різноманітні завдання в чисельних обчисленнях,
обробці сигналів, візуалізації даних, машинному навчанні та
багатьох інших областях.
Ключові бібліотеки та інструменти, які включаються до MATLAB:
• Signal Processing Toolbox - Ця бібліотека містить інструменти для
обробки та аналізу сигналів, включаючи фільтрацію,
спектральний аналіз, відновлення сигналів, обробку аудіо- та
відеоданих.
• Image Processing Toolbox - Ця бібліотека містить функції для
обробки та аналізу зображень, такі як фільтрація, сегментація,
виокремлення об'єктів, відновлення зображень та інше.
• Statistics and Machine Learning Toolbox - Ця бібліотека надає
інструменти для статистичного аналізу даних, машинного
навчання, класифікації, кластеризації, регресійного аналізу та
іншого.
• Control System Toolbox - Ця бібліотека містить інструменти для
аналізу та проектування керуючих систем, такі як лінійні та
нелінійні системи, регулятори PID, канонічне представлення та
інше.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
31
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Optimization Toolbox - Ця бібліотека надає інструменти для
розв'язання різноманітних задач оптимізації, включаючи пошук
мінімуму та максимуму функцій, оптимізацію з обмеженнями та
інше.
• Deep Learning Toolbox - Ця бібліотека надає інструменти для
роботи з нейронними мережами, навчання та тестування моделей
глибокого навчання, використання передвивчених моделей та
інше.
• Curve Fitting Toolbox - Ця бібліотека дозволяє виконувати
апроксимацію даних кривими та поверхнями, пошук оптимальних
параметрів, аналізувати або моделювати функції.
Це лише декілька прикладів бібліотек та інструментів, доступних в
MATLAB. MATLAB має ще дуже багато інших інструментів та функцій для
різних областей, які можуть бути корисні для вирішення конкретних завдань
в областях досліджень чи професійної діяльності.

3. Інтеграція з іншими мовами програмування - MATLAB має
деякі можливості для інтеграції з іншими мовами програмування, що
дозволяє розширювати його функціональність та використовувати
його в різних областях програмування.
Можливі способи інтеграції MATLAB з іншими мовами
програмування:
• Мексичні файли (MEX files) - MATLAB дозволяє створювати MEX
файли, які є бінарними функціями або модулями, написаними на мові
програмування C або C++. Ці файли можуть бути викликані з MATLAB,
що дозволяє виконувати швидкі обчислення або використовувати
спеціалізовані функції, написані на C/C++.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
32
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Виклик зовнішніх програм - MATLAB може викликати зовнішні
програми, написані на будь-якій мові програмування, зокрема Python,
Java, C/C++ та інші. Це дозволяє використовувати функціональність цих
мов в MATLAB.
• Системи обміну даними (Data exchange) - MATLAB має можливості
для обміну даними з іншими мовами програмування через різні формати
файлів, такі як MAT-файли для обміну даними між MATLAB та іншими
програмами, JSON, XML, CSV та інші.
• Інтерфейси програмування застосунків (APIs) - MATLAB має API
для взаємодії з іншими мовами програмування. Наприклад, можемо
використовувати MATLAB Engine для Python, щоб взаємодіяти з
MATLAB з Python-скриптів, або використовувати MATLAB Production
Server для інтеграції MATLAB з веб-додатками.
Ці методи дозволяють використовувати функціональність MATLAB
разом з іншими мовами програмування та програмами, що дозволяє
розширити можливості та ефективність вирішення різних завдань.

4. Підтримка великої спільноти та документація - MATLAB має
велику та активну спільноту користувачів, а також широку
документацію, яка допомагає вирішувати різноманітні завдання
та використовувати різні функціональні можливості програми.
Ось кілька ключових аспектів щодо спільноти та документації MATLAB:
• Офіційна документація MATLAB - Компанія MathWorks надає
вичерпну та добре організовану офіційну документацію MATLAB, яка
включає опис функцій, приклади використання, пояснення синтаксису
та багато іншого. Ця документація доступна онлайн на офіційному веб-
сайті MathWorks.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
33
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Форуми та спільноти користувачів - Існують різні форуми та
спільноти користувачів MATLAB, де користувачі можуть задавати
питання, обговорювати проблеми, ділитися досвідом та навчатися від
інших. Найпопулярніші з них - Stack Overflow та MATLAB Central.
• Онлайн-курси та навчальні матеріали - Існують безліч онлайн-
курсів, відеоуроків, підручників та інших навчальних матеріалів, які
допомагають вивчити MATLAB та використовувати його для різних
завдань. Матеріали доступні як на офіційному веб-сайті MathWorks,
так і на інших платформах для навчання, таких як Coursera, Udemy,
YouTube та багато інших.
• Підтримка MathWorks - Крім цього, MathWorks надає платну
підтримку для користувачів MATLAB, яка включає консультації,
технічну підтримку, навчання та інші послуги для допомоги вирішити
будь-які проблеми з використанням MATLAB.
Загалом, завдяки великій спільноті користувачів та різноманітним
джерелам документації, користувачі MATLAB мають доступ до широкого
спектру ресурсів для вивчення, розвитку та вирішення проблем в програмі.
Simulink
Simulink - це інтерактивне середовище моделювання та симуляції систем,
що розроблене компанією MathWorks, яка також стоїть за розробкою
MATLAB. Simulink дозволяє інженерам та дослідникам легко створювати
моделі складних динамічних систем та вести їх симуляції для аналізу
поведінки системи в різних умовах.
Основні характеристики Simulink:

1. Блок-схеми для моделювання - в Simulink моделі створюються
у вигляді блок-схем, де блоки представляють різні компоненти
системи, а зв'язки між блоками відображають їх взаємодію.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
34
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Основні типи блоків, які можна використовувати для побудови блок-схем
у Simulink:
• Блоки входу-виходу - Ці блоки використовуються для введення
початкових даних у систему або для виведення результатів симуляції.
Наприклад, блоки Constant для задання постійних значень, Signal
Generator для генерації сигналів, Scope для візуалізації сигналів тощо.
• Блоки обробки сигналів - Ці блоки використовуються для обробки
сигналів або даних в системі. Наприклад, блоки для математичних
операцій (Addition, Multiplication, Division), фільтрації (Low Pass Filter,
High Pass Filter), конвертації типів даних тощо.
• Блоки логіки та управління - Ці блоки використовуються для
реалізації логіки та управління в системі. Наприклад, блоки для умовних
виразів (If-Else, Switch Case), логічних операцій (AND, OR, NOT),
затримок, лічильників тощо.
• Блоки математичних моделей - Ці блоки використовуються для
побудови математичних моделей систем. Наприклад, блоки для
диференціальних рівнянь (Integrator, Derivative), передавальних
функцій, суматорів тощо.
• Блоки зовнішніх інтеграцій - Simulink також підтримує інтеграцію з
іншими мовами програмування та інструментами, такими як MATLAB
Function блок для використання MATLAB коду, S-Function для
використання коду на мові C/C++ або Fortran, а також блоки для
інтеграції зі сторонніми інструментами та обчислювальними
середовищами.
Ці блоки можна комбінувати та налаштовувати для побудови складних
системних моделей у вигляді блок-схем в Simulink. Такий підхід дозволяє
інженерам та дослідникам моделювати та аналізувати різноманітні системи з
високою точністю та ефективністю.
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
35
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

2. Велика бібліотека блоків - Simulink має велику бібліотеку
блоків, які охоплюють широкий спектр функціональностей для
моделювання та симуляції різних типів систем.
Ось деякі з найпоширеніших категорій блоків у бібліотеці Simulink:
• Входи та виходи - Блоки для введення та виведення сигналів,
такі як Constant, Step, Ramp для генерації сигналів; Scope для
візуалізації сигналів; To Workspace для зберігання даних в
робочому просторі тощо.
• Математичні операції - Блоки для виконання математичних
операцій, такі як додавання, віднімання, множення, ділення;
тригонометричні функції, операції логарифмування та
експоненціювання тощо.
• Сигнальна обробка - Блоки для обробки сигналів,
включаючи фільтрацію, дискретне перетворення Фур'є,
просторове перетворення Фур'є, спектральний аналіз тощо.
• Логіка та управління - Блоки для реалізації умовних
операторів, логічних виразів, лічильників, регістрів,
генераторів випадкових чисел тощо.
• Математичні моделі - Блоки для побудови диференціальних
рівнянь, інтеграторів, похідних, передавальних функцій,
дискретних моделей тощо.
• Керування системами - Блоки для проектування та симуляції
керуючих систем, такі як PID-регулятори, лінійні та нелінійні
динамічні моделі, системи керування точками тощо.
• Мережеве моделювання - Блоки для моделювання
мережевих та комунікаційних систем, такі як TCP/IP
протоколи, UDP, CAN, LIN, серійні порти тощо.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
36
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Це лише декілька прикладів категорій блоків, доступних у бібліотеці
Simulink. Кожна з цих категорій містить багато різних блоків з
різноманітними функціональними можливостями, що дозволяє моделювати
широкий спектр систем у Simulink.

3. Симуляція у реальному часі - Simulink підтримує симуляцію у
реальному часі. Це означає, що в ньому є можливість виконувати
симуляцію певної моделі так, як вона повинна працювати в
реальному середовищі, з урахуванням часових характеристик та
затримок. Simulink надає інструменти для налаштування та
виконання симуляції у реальному часі.
Симуляція у реальному часі корисна для тестування та валідації
вбудованих систем у реальних умовах, а також для розробки та перевірки
алгоритмів реального часу. Вона дозволяє ефективно відлагоджувати та
оптимізувати роботу вашої системи перед виробництвом або впровадженням.

4. Можливості візуалізації результатів - Simulink має розширені
можливості візуалізації результатів, які дозволяють зручно
відображати та аналізувати результати симуляцій.
Ось кілька ключових можливостей візуалізації в Simulink:
• Scope блоки - Scope блоки дозволяють відображати динаміку сигналів
протягом симуляції. Вони надають можливість побудови графіків для
відстеження змін сигналів в залежності від часу або інших параметрів.
• 3D візуалізація - Simulink підтримує 3D візуалізацію моделей та
результатів симуляцій, що дозволяє створювати тривимірні об'єкти,
анімації та візуалізації складних динамічних процесів.
• Анімація - Simulink дозволяє створювати анімації для відображення
динаміки системи та результатів симуляції. Це може бути корисно для
візуалізації руху об'єктів, зміни параметрів системи тощо.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
37
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Scatter plots та surface plots - Ви можете використовувати scatter plots
для відображення взаємозв'язку між двома або більше змінними, а
також surface plots для відображення тривимірних поверхонь на основі
даних з симуляції.
• Автоматичне відстеження параметрів - Simulink дозволяє
автоматично відстежувати та візуалізувати параметри системи
протягом симуляції. Це допомагає зручно аналізувати зміни параметрів
та поведінку системи з часом.
• Custom GUIs - Ви можете створювати власні користувацькі інтерфейси
для візуалізації результатів симуляцій за допомогою MATLAB GUI
інструментів, що дозволяє створювати зручні та інтерактивні
інтерфейси для аналізу даних.
Ці можливості дозволяють ефективно відображати та аналізувати
результати симуляцій у Simulink, що допомагає зрозуміти поведінку системи
та приймати обґрунтовані рішення щодо розробки та оптимізації моделей.

5. Інтеграція з MATLAB - Simulink має глибоку інтеграцію з
MATLAB, що дозволяє використовувати всі можливості
MATLAB для аналізу даних, проектування керуючих систем,
оптимізації алгоритмів та багато іншого в контексті моделювання
та симуляції систем в Simulink.
Способи, якими MATLAB і Simulink інтегруються між собою:
• MATLAB Script блоки - Можемо використовувати MATLAB Script
блоки у Simulink для виконання скриптованого коду на мові MATLAB
безпосередньо в рамках моделі Simulink. Це дозволяє вам виконувати
складні обчислення, обробку даних або аналіз в Simulink,
використовуючи функціональність MATLAB.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
38
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• MATLAB Function блоки - Можемо використовувати MATLAB
Function блоки для виконання користувацьких функцій та алгоритмів,
написаних на мові MATLAB, безпосередньо в Simulink моделі. Це
дозволяє реалізувати спеціалізовані алгоритми або обчислення, які
використовують функціональність MATLAB.
• Підтримка обміну даними - MATLAB і Simulink підтримують обмін
даними між собою за допомогою різних механізмів, таких як MAT-
файли, розподілені об'єкти MATLAB, TCP/IP взаємодія та інші, що
дозволяє зручно передавати дані між MATLAB і Simulink.
• Використання інструментів MATLAB у процесі аналізу результатів
- Після виконання симуляції у Simulink, можемо використовувати
різноманітні інструменти MATLAB для аналізу та візуалізації
результатів, такі як графіки, статистичний аналіз, обробка сигналів,
машинне навчання та багато іншого.
Ці можливості інтеграції дозволяють ефективно використовувати
MATLAB та Simulink разом для розробки, моделювання та аналізу
складних систем і процесів.
6. Підтримка для генерації коду - Simulink надає потужні засоби для
генерації коду з моделей, розроблених у середовищі Simulink. Це
дозволяє перетворювати моделі, побудовані у Simulink, у
вихідний код, який може бути виконаний на реальних
вбудованих системах, мікроконтролерах, FPGA або інших
платформах.
Ключові можливості підтримки генерації коду у Simulink:
• Embedded Coder - це продукт від MathWorks, який дозволяє
генерувати оптимізований вбудований код з моделей Simulink.
Embedded Coder надає різні опції генерації коду, включаючи підтримку
різних мікроконтролерів, оптимізацію розміру та швидкості коду,
підтримку реального часу тощо.
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
39
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Simulink Coder - це інша опція для генерації коду з моделей Simulink.
Він дозволяє вам генерувати код з Simulink моделей для вбудованих
систем та інших застосувань. Simulink Coder також підтримує
генерацію коду для різних мікроконтролерів та інших платформ.
• Automatic C Code Generation - Simulink може автоматично генерувати
код на мові програмування C з моделей, побудованих у середовищі
Simulink. Цей код може бути оптимізований та призначений для
виконання на реальних вбудованих системах.
• Hardware Support Packages - Деякі пристрої та мікроконтролери
мають пакети підтримки апаратних засобів (Hardware Support
Packages), які дозволяють генерувати код з Simulink моделей для
конкретних апаратних платформ.
• Verification and Validation - Після генерації коду, Simulink також
надає засоби для верифікації та валідації згенерованого коду,
включаючи автоматичні тестувальні засоби та перевірку згідності з
вимогами стандартів безпеки.
Ці можливості забезпечують ефективний процес генерації вбудованого
коду з моделей Simulink для використання на реальних вбудованих
платформах та мікроконтролерах.
Simulink використовується в багатьох галузях, включаючи
автомобільну промисловість, авіаційну та космічну техніку, електроніку,
телекомунікації, контроль та автоматизацію процесів, медицину та інші.
Воно дозволяє інженерам та дослідникам швидко та ефективно розробляти,
тестувати та оптимізувати складні системи.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
40
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

2.2 Обґрунтування вибору MatLab/Simulink

Існує кілька програм, які можуть виконувати схожі завдання, що й
MATLAB/Simulink, але можуть мати інші переваги або недоліки залежно від
конкретних потреб користувача.
Ось деякі з них:
1. Python з бібліотеками NumPy, SciPy та Matplotlib - Python є
потужною мовою програмування, що широко використовується
для наукових обчислень. Бібліотеки NumPy та SciPy надають
функціонал, аналогічний до MATLAB для числових обчислень та
обробки даних, а Matplotlib - для візуалізації даних. Бібліотека
SimPy може використовуватися для моделювання та симуляції
подійних систем. Обидва інструменти, Python та MATLAB, мають
свої унікальні переваги та області застосування.
Відмінності між Python та Matlab:
• Синтаксис та стиль програмування - Python має простий та
лаконічний синтаксис, що робить його дуже зручним для швидкої
розробки програм та аналізу даних. З іншого боку, MATLAB має свій
унікальний синтаксис та стиль програмування, який може бути менш
зрозумілим для новачків.
• Бібліотеки та інструменти - Python має велику кількість сторонніх
бібліотек для різних завдань, таких як наукові обчислення, обробка
даних, машинне навчання тощо. MATLAB також має свою власну набір
бібліотек та інструментів, включаючи Simulink для моделювання та
симуляції систем.
2. GNU Octave - це програмне забезпечення з відкритим вихідним
кодом, яке має схожий синтаксис з MATLAB і надає схожий
функціонал для числових обчислень, обробки сигналів,
статистики тощо. Вибір між GNU Octave та MATLAB може
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
41
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

залежати від конкретних потреб користувача, вимог проекту та
індивідуальних вподобань.
Відмінності між GNU Octave та Matlab:
• Функціональність та продуктивність - У деяких випадках MATLAB
може бути більш продуктивним за рахунок більшої кількості
оптимізованих функцій та інструментів. Однак, для багатьох завдань,
особливо з урахуванням аспекту вартості, GNU Octave може бути досить
ефективним рішенням.
• Наявність інструментів та бібліотек - MATLAB має широкий набір
спеціалізованих інструментів та бібліотек для різних областей, таких як
наукові обчислення, обробка сигналів, машинне навчання тощо. У GNU
Octave може бути менше інструментів та бібліотек, але багато з них
також доступні через сторонні пакети та розширення.
3. LabVIEW - це середовище візуального програмування, яке
широко використовується для автоматизації вимірювальних
систем та моделювання реальних систем. Воно надає інтерфейс
схожий на Simulink для моделювання систем та симуляції.
LabVIEW та MATLAB - це два різних інструменти зі своїми
унікальними особливостями та областями застосування.
Відмінності між LabView та Matlab:
• Візуальне програмування проти текстового програмування -
Однією з ключових відмінностей між LabVIEW та MATLAB є те, що
LabVIEW базується на візуальному програмуванні, тоді як MATLAB
використовує текстове програмування. Для багатьох користувачів
візуальна природа LabVIEW може бути більш інтуїтивно зрозумілою,
особливо для тих, хто працює з вимірювальними приладами або
реальними системами.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
42
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Ширші можливості в обробці сигналів та числових обчисленнях -
MATLAB має велику кількість інструментів та бібліотек для наукових
обчислень, обробки сигналів, статистики, машинного навчання та інших
областей. У той час як LabVIEW також має деякі засоби для обробки
сигналів, MATLAB зазвичай вважається більш потужним інструментом
для цих завдань.
• Підтримка апаратного забезпечення та інтеграція з
вимірювальними приладами - LabVIEW використовується широко
для автоматизації тестувальних систем та вимірювальних систем. Він
має вбудовану підтримку різноманітних вимірювальних приладів та
апаратного забезпечення, що робить його ідеальним вибором для
програм, які вимагають взаємодії з обладнанням.
Ці програми можуть виконувати багато тих самих завдань, що й
MATLAB/Simulink, але вони мають свої унікальні особливості та переваги,
тому вибір залежить від конкретних потреб та вимог проекту. В цьому випадку
краще всього використовувати Matlab/Simulink.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
43
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

2.3 Висновки

MatLab/Simulink є потужним інструментом для моделювання, аналізу та
розв'язання різноманітних технічних проблем. Ця програма надає
користувачам широкі можливості для проведення обчислювальних
експериментів, візуалізації даних та виконання складних обчислень.
Однією з ключових переваг MatLab/Simulink є його широкий
функціонал, який охоплює багато аспектів інженерних дисциплін, включаючи
обробку сигналів, аналіз систем керування, моделювання динамічних систем
та багато іншого. Він також підтримує широкий спектр інтерфейсів та
інтеграцію з іншими програмними продуктами, що дозволяє легко
обмінюватися даними та результатами з іншими програмами.
Порівняно з іншими програмними засобами, MatLab/Simulink
відзначається високою швидкістю виконання обчислень, зручним
інтерфейсом користувача та великою кількістю доступних інструментів та
бібліотек. Крім того, велика спільнота користувачів та підтримка компанії
MathWorks забезпечують стабільну роботу програми та постійне оновлення
функціоналу.
Отже, можна вважати, що MatLab/Simulink є одним з найкращих
інструментів для інженерного моделювання та аналізу, який відповідає
вимогам сучасного технічного середовища.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
44
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

3. МОДЕЛЮВАННЯ СХЕМИ В MATLAB/SIMULINK

3.1 Побудова функціональної схеми в Matlab/Simulink

Для того, щоб відтворити схему ZigBee (Див. розділ “Додаток”) в
Simulink та провести моделювання потрібно на робоче вікно помістити
слідуючі блоки:
3.1 RandomIntegerGenerator (Рис.3.1) - Блок RandomIntegerGenerator в
Simulink використовується для генерації випадкових цілих чисел у
визначеному діапазоні. Цей блок може бути корисним у симуляціях, де
необхідно випадковим чином генерувати дані для перевірки різних умов або
роботи алгоритмів як, наприклад, в моєму випадку;

Рисунок 3.1 - Блок RandomIntegerGenerator.
3.2 Блок ZigBee Transmitter (Рис.3.2) та його вміст (Рис.3.3):

Рисунок 3.2 – Схема блоку ZigBee Transmitter.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
45
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.3 – Вміст блоку ZigBee Transmitter
Даний блок потрібен для передачі і модуляції даних.
В свою чергу ZigBee Transmitter складається з:
• Unipolar to Bipolar Converter (Рис.3.4) - це схема, яка перетворює
сигнал, що знаходиться в однополярному форматі, на сигнал у
біполярному форматі. У біполярному сигналі значення можуть
знаходитися як у позитивній, так і у від'ємній півосі, в той час як
уніполярний сигнал має значення лише на позитивній частині вісі.
Отже, конвертер виконує зміну цього формату з одного типу сигналу
на інший;

Рисунок 3.4 – Блок Unipolar to Bipolar Converter.
• Bipolar to Unipolar Converter (Рис.3.5) - Bipolar to Unipolar Converter в
Simulink - це блок, який використовується для перетворення сигналу з
біполярного формату (тобто зі значеннями, які можуть бути як
позитивними, так і від'ємними) у формат уніполярного сигналу (з
значеннями, які рухаються лише від нуля до позитивних значень);

Рисунок 3.5 – Блок Bipolar to Unipolar Converter.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
46
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Assemble 4 bit (Buffer) (Рис.3.6) - дозволяє групувати бітові сигнали у
формати, які зручні для подальшого аналізу, опрацювання або
використання;

Рисунок 3.6 – Блок Assemble 4 bit .
• Product (Рис.3.7) - це арифметичний блок, який виконує множення двох
вхідних сигналів. Цей блок дозволяє перемножити значення двох
вхідних сигналів та отримати результат у вигляді вихідного сигналу;

Рисунок 3.7 – Блок Product.
• OQPSK Modulator Baseband (Рис.3.8) - це блок, який моделює процес
модуляції сигналу відповідно до схеми OQPSK на базовій смузі
(baseband). Він приймає вхідні дані в цифровому форматі (наприклад,
послідовність бітів або символів) і виконує модуляцію, що включає
фазові зсуви відповідно до правил OQPSK;

Рисунок 3.8 – Блок OQPSK Modulator Baseband.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
47
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• PN Sequence Generator (Рис.3.9) - PN (Pseudo-Noise) Sequence Generator
- це блок, який використовується для генерації псевдовипадкових
послідовностей (PN-послідовностей) в системах зв'язку і сигнальній
обробці. PN-послідовності мають властивості випадковості, але вони не
є справжніми випадковими послідовностями;

Рисунок 3.9 – Блок PN Sequence Generator.
3.3 AWGN Channel (Рис.3.10) - AWGN (Additive White Gaussian Noise)
Channel - це модель каналу зв'язку, яка використовується для симуляції
ефектів шуму в бездротових комунікаційних системах. Цей канал передає
сигнали від передавача до приймача, при цьому додаючи біле гауссівське
шум до сигналів, що проходять через нього;

Рисунок 3.10 – Блок AWGN Channel.
1. ZigBee Reciever (Рис.3.11);

Рисунок 3.11 – Блок ZigBee Reciever.
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
48
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.12 – Вміст блоку ZigBee Reciever.
Цей блок складається з:
• OQPSK Demodulator Baseband – Блок системи демодуляції OQPSK
(Рис.3.13);

Рисунок 3.13 – Блок OQPSK Demodulator Baseband.
• Dissasemble Packet (Рис.3.14) – використовується для розбиття пакету
даних на окремі біти, байти або символи. Цей блок приймає на вхід
пакет даних і розбиває його на окремі компоненти, які можна подальше
обробляти у моделі;

Рисунок 3.14 – Блок Dissasemble Packet.
• Unipolar to Bipolar Converter (Див. пункт 3.2 рис.3.4);
• Bipolar to Unipolar Converter (Див. пункт 3.2 рис.3.5);

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
49
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

• Transport Delay (Рис.3.15) - це блок в середовищі Simulink, який
моделює затримку у передачі сигналу від входу до виходу. Цей блок
корисний для створення моделей, де потрібно враховувати часові
затримки у системі, такі як у випадках, коли сигнал потребує часу на
транспортування від одного пристрою до іншого або через систему з
різними процесами обробки;

Рисунок 3.15 – Блок Transport Delay.
• Product (Див. пункт 3.2 рис.3.7);
3.4 ErrorRateCalculation (Рис.3.16) – це блок, у якого відбувається процес
обчислення рівня помилок в переданому сигналі або в отриманих даних;

Рисунок 3.16 – Блок ErrorRateCalculation.
3.5 Display (Рис.3.17) – Блок відображення значень вхідних або вихідних
параметрів.

Рисунок 3.17 – Блок Display.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
50
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

3.2 Принцип роботи схеми та результати моделювання

PN Sequence Generator (Генератор послідовності) генерує послідовність
псевдовипадкових двійкових чисел. Після відбувається перетворення сигналу
в біполярні коди (Unipolar To Bipolar), які перемножаються (Product) та
попадають в блок Assemble 4 bits. Даний блок перетворює вхідні дані в вихідні
дані з другим розміром кадра.
Після цього біполярні коди перетворюються в уніполярні коди (Bipolar
To Unipolar) і здійснюється його модуляція за допомогою блоку OQPSK
modulator baseband. OQPSK - чотирипозиційна фазова модуляція зі зсувом
квадратур (OQPSK), де бітові потоки, що подаються на модулятори квадратур
I і Q, зміщені один щодо одного на тривалість одного біта (половина
символьного інтервалу).
Після передатчика сигнал попадає на AWGN Channel (Канал зв’язку).
Після того, як передали сигнал по каналу передачі, він попадає на блок ZigBee
Reciever (Приймач).
Сигнал йде на два входа приймача. Через перший вхід сигнал
демодулюється (OQPSK Demodulator), після цього демодульований сигнал
попадає в блок Dissasemble, де дані перетворюються в початкові дані з заданим
розміром кадру. Далі уніполярний код сигнала перетворюється в біполярний і
попадає на перемножувач, де перетворюється з другим вхідним сигналом,
який пройшов через блок Transport Delay, який в свою чергу затримує ввод на
деякий час. Після того, як сигнали перемножились, получений код сигнала
перетворюється з біполярного в уніполярний і подається на вихідний пристрій.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
51
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

В ході побудови та моделюванні схеми ZigBee були зняті осцилограми:
ZigBee Transmitter (Рис.3.18 – 3.20):

Рисунок 3.18 – Осцилограма уніполярного коду сигналу.

Рисунок 3.19 - Осцилограма біполярного коду сигналу.

Рисунок 3.20 - Осцилограма біполярного коду сигналу після
перемноження.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
52
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

ZigBee Reciever (Рис.3.21 – 3.23):

Рисунок 3.21 - Осцилограма першого демодульованого вхідного
сигналу, що має уніполярний код.

Рисунок 3.22 - Осцилограма першого демодульованого вхідного
сигналу, після перетворення на біполярний код.

Рисунок 3.23 - Осцилограма перемножених вхідних сигналів, що має
біполярний код.
Вхідна та вихідна осцилограма отримана приймачем (Рис.3.24 –
3.25):
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
53
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.24 - Осцилограма вхідного сигналу.

Рисунок 3.25 - Осцилограма сигналу, отриманого приймачем.
Як видно по рисунку 3.24 та 3.25, сигнал здвинутий по часу і був
переданий без помилок.
Оцінимо перешкодостійкість стандарта ZigBee. Для цього побудуємо
зависимість BER від SNR (Рис.3.26):

Рисунок 3.26 – Графік зависимості BER від SNR (1000 символів в
повідомленні).
На рисунку 3.26 видно, що зі збільшенням SNR знижується кількість
помилок.
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
54
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

3.3 Висновки

Для відтворення схеми Zigbee та моделювання її роботи
використовувались різні блоки з бібліотек в середовищі моделювання
Simulink. Створювалися загальні блоки (Zigbee Resiever та Zigbee Transmitter),
які вміщали стандартні блоки з бібліотек.
Після відтворення схеми в середовищі моделювання було
проаналізовано роботу схеми. Згідно рисунків 3.18 – 3.23 можна побачити, що
схема Zigbee в імітаційному середовищі моделювання Simulink працює
відмінно, сигнал на вході та виході (Рис. 3.24 – 3.25) здвинутий за часом і був
переданий без помилок. Згідно малюнку 3.26 можна побачити зависимість
BER від SNR. На ньому показано, що зі збільшенням SNR знижується
кількість помилок.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
55
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

4. Охорона праці
4.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, які впливають на працівників
науково-технічної лабораторії

При процесі дослідження та моделювання cтандарта IEEE 802.15.4
ZigBee на співробітника наукової-технічної лабораторії, де й проводиться
дослідження з дипломної роботи, можуть впливати різного виду параметри
виробничих факторів. Такі явища як: температура, вологість, шум, вібрація,
шкідливі речовини - впливають на ефективність та якість виконуваної роботи,
й відповідно, у значному ступені впливають на здоров’я та працездатність
співробітника, та його відношення до праці в результаті його діяльності в
цілому.
При поганих умовах на робочому приміщенні є можливість різкого
зниження продуктивності праці та є ризик отримати травми та професійні
захворювання. Для поліпшення якості праці потрібно знати чинники та явища,
які впливають на їхнє формування.
Для організації робочого приміщення та факторів клімату місця мають
відповідати ДСН 3.3.6.042-99 «Санітарні норми мікроклімату виробничих
приміщень». В разі порушення даних норм є вірогідність виникнення проблем
з навантаженням м’язів тулуба, верхніх кінцівок та шиї, що в свою чергу
проблем з органами зору та загальному погіршенню стану здоров’я в цілому.
Розміри наукової-технічної лабораторії, яка описується у даному розділі,
становлять: Довжина – 5м; Ширина – 4м; Висота – 3м;
Площа цього приміщення дорівнює 20м2, у приміщенні знаходиться 5
робочих місць з персональним комп’ютером. Кожне робоче місце обладнане
робочим столом площею 1,2 м2, стільцем висотою 0,45м та персональним
комп’ютером, що складається з системного блоку, монітору, клавіатури та
комп’ютерної миші. Площа одного робочого місця оператора персонального
комп’ютера не повинна бути меншою ніж 6м2, а об’єм менший ніж за 20м3,
що, в даному випадку, відповідає вимогам ДБН В.2.2.28-2010. Монітори на
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
56
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

столах розташовані таким чином, щоб відстань від монітору до користувача
складала більше 70 см, при цьому кут зору становить приблизно 30о .
Положення моніторів вибрано таким чином для того, щоб світло, яке
потрапляє з лівого чи правого боку від працюючого в залежності від
розташування робочого місця не засліплювало його. Щоб уникнути
негативного ефекту від надмірного освітлення, вікно обладнано жалюзі. План
приміщення зображений на рисунку 4.1:

Рисунок 4.1 – План приміщення лабораторії
1 – Робочий стіл; 2 – Стільці; - 3 Робочі місця.
Дана лабораторія має один вихід. Споруда має два виходи – головний та
запасний для евакуації. Коридор між приміщеннями має два виходи на різні
сходи, які ведуть до головного входу та до виходу для евакуації (ДБН В.1.1.7-
2016).
Кожне робоче місце оператора персонального комп’ютера має бути
добре освітлене, що дає позитивний вплив на працюючих співробітників.
Добре освітлене робоче місце та й приміщення в цілому сприяє підвищенню
якості та продуктивності праці, знижуючи втомленість та травматизм при
дослідженні, зберігаючи при цій умові високу працездатність співробітника в
процесі праці.
Освітлення в приміщенні здійснюється двома типами освітлення
(комбіноване освітлення): Природнє освітлення через віконний отвір, який
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
57
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

розташований вздовж однієї із стін і має розміри 2м на 1,15м, та штучне
освітлення за допомогою світильників, розташованих на стелі.
Величина потрібного освітлення на робочому місці нормується за ДБН
В.2.5-28-2018. Нормування при формуванні штучного освітлення відбувається
в люксах (Лк), яка може вибиратись від залежностей характеристики зорової
направленості з можливим врахуванням найменшого розміру об’єкту
розрізнення, контрасту та фону об'єкта.

Рисунок 4.1 – Розряди зорової роботи
В даному випадку зорова робота є середньої точності, що відповідає II
розряду роботи. В науково-технічній лабораторії використовуються накладні
стельові світильники загального освітлення Lectris 54W 6500K 220V IP20 1-
LC-6003.
Згідно з ДСН 3.3.6.042-99 окремо для двох періодів року визначаються
оптимальні та допустимі значення температури, швидкість руху повітря та
відносної вологості. В вказані нормовані величини температури, швидкість
руху повітря в робочій зоні та відносної вологості в робочої зони виробничого
приміщення:
В даній технічно-науковій лабораторії категорія важкості роботи
працівників відноситься до середньої важкості (Обробка інформації, робота з
програмами офісного пакету, тощо.)
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
58
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 4.2 - Параметри мікроклімату приміщення в лабораторії
Фактичні параметри мікроклімату відповідають нормативним
параметрам мікроклімату, що наведені на рисунку 4.2.
В даному приміщенні задіяна приточно-витяжна система для
підтримання параметрів повітряного середовища в межах передбачених ДБН
В.2.5.67-2013. За межами науково-технічної лабораторії встановлена приточна
установка. Над стелею проходять труби, в яких проходить свіже повітря до
приміщення, і, відповідно, труби, які задіються для витягування повітря за
допомогою витяжної вентиляції, яка теж встановлена за межами приміщення.
Характеризуючи приміщення маємо, що сирість – відсутня, а підлога
покрита неструмопровідним матеріалом (Покриття з антистатичного
полімеру). Приміщення заземлено, що сприяє відведенню надлишкового
електричного струму. Встановлені автоматичні вимикачі для запобігання
перегоранню пристроїв при короткому замиканні. Згідно ПУЕ-17 приміщення
лабораторії відноситься до приміщень без підвищеної небезпеки ураження
працюючих електричним струмом. Комп’ютери, які встановлено на робочих
місцях живляться напругою 220 В і споживають потужність менше ніж 3 кВт.
Згідно з ДСТУ Б В.2.5-82:2016 всі електронні прилади під’єднані до системи
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
59
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

захисного заземлення за для виключення можливості ураження працівників
електричним струмом.
Шум є одним із важливіших факторів середовища. Він негативно
впливає як на стан співробітника, так на його оточуючих. При виникнені
зайвого шуму у співробітника може зменшуватись увага, збільшувати
розвиток втоми, а також сповільнюватись реакція при можливій небезпеці.
Ще, внаслідок зайвого шуму, зменшується працездатність робітника та
підвищується ймовірність травм та нещасних випадків.
Максимальний шум в лабораторії, який створюється персональними
комп’ютерами не перевищує 45 дБА, й, відповідно, рівень шуму відповідає
вимогам ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми рівнів шуму на робочих місцях».
У приміщенні лабораторії можуть горіти вироби з дерева, пластмас,
тканини і паперу. Згідно з ДСТУ Б.В.1.1-36:2016 дане приміщення можна
віднести до категорії пожежної небезпеки В.
Можливою причиною виникнення пожежі може бути перевантаження в
роботі електрообладнання (наприклад кабелі, розетки та персональні
комп’ютери), короткі замикання внаслідок виходу з ладу чи експлуатації
несправного електронного обладнання.
Для гасіння пожежі в лабораторії встановлений ручний вуглекислотний
вогнегасник ОУ-2 (по типу ВВК-1,4), а у приміщенні центрального коридору
розташовані пінні вогнегасники ВП-5 (типу ВВП). відповідно до ДБН В.2.5-
56-2014, змонтована електрична пожежна сигналізація променевого типу та
теплові датчики типу (ИП-105-2) у кількості 6шт.
Стороннім обладнанням евакуаційні виходи ненагромаджені, що
відповідає ДБН В.1.1-7-2016.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
60
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Джерелами електромагнітного випромінювання в приміщенні, які
будуть працювати постійно є монітор комп’ютера, Wi-Fi роутер та освітлення.
Рівні електромагнітного випромінювання на робочому місці відповідають
вимогам ДСН 3.3.6.096-2002 «Державні санітарні норми і правила при роботі
з джерелами електромагнітних полів».
Працівники, які вперше приступили до роботи, були проінструктовані з
пожежної безпеки. Інструктаж працівників щодо пожежної безпеки
проводитися щорічно або при введенні нових процедур, обладнання або
матеріалів, які можуть впливати на пожежну безпеку. Також інструктаж
проводиться у випадку змін у законодавстві або вимогах щодо пожежної
безпеки.
Виходячи із усіх переглянутих умов праці в розглянутому робочому
приміщенні, можна з’ясувати, що всі фактори які впливають на умови праці
відповідають всім стандартизованим вимогам, не рахуючи систему загального
освітлення, яку потрібно модернізувати.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
61
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

3.2 Розрахунок штучного освітлення. Вибір джерела штучного
освітлення.
Загальне освітлення – це освітлення, при якому світильники
розміщуються у верхній зоні приміщення (Не нижче 2,5м над підлогою), або в
залежності від розташування робочих місць. Освітлення, яке складається із
місцевого та загального називається комбінованим. Місцеве освітлення
створюється світильниками, які концентрують світловий потік на робочих
місцях. Не допускається використання лише місцевого освітлення з огляду на
небезпеку виробничого травматизму та професійних захворювань.
Для визначення нормованого освітлення – Ен, визначаємо:
- перелік основних предметів, які людина у процесі роботи на заданому
робочому місці має розглядати: надписи на екрані монітору, шрифт у книзі;
- розмір об’єкта розрізнення (найменший або еквівалентний розмір),
який повинна розглядати людина під час робочого процесу орієнтовано
обирається 0,15…0,3 мм;
- характеристику фону – поверхня, на якій можна розглянути найменший
об’єкт розрізнення (залежить від коефіцієнта відбиття поверхні ρ). Фон є
світлим (ρ > 0,4) , так як в книзі так і на екрані монітору фон є білим. Для
вказаного фону коефіцієнт відбиття поверхні ρ = 0,9;
- контраст об’єкта розрізнення з фоном (чіткість сприймання
найменшого об’єкт розрізнення на фоні). Контраст є великим (між білим і
чорним);
Для даної науково-технічної лабораторії, згідно нормативного значення
штучного загального освітлення Ен, яке складає 750 лк, і враховуючи
характеристики фону та контрасту, підходить накладний стельовий лінійний
LED світильник Lectris 54W 6500K 220V IP20 1-LC-6003.
Світлодіодний світильник Lectris 54W 6500K 220V IP20 1-LC-6003
застосовується в різних випадках. Наприклад, для освітлення робочої
поверхні, коридорів, складів, майстерень, лабораторій. Для монтажу такого
світильника використовуються монтажні кліпси, які йдуть зі світильником в
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
62
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

комплекті. До поверхні монтажу прикручуються кліпси, де й буде, відповідно,
замикатися кліпсами світильник. Зображення даного світильника, як і його
характеристик, наведені в таблиці 4.1 та рисунку 4.3:

Рисунок 4.3 – Світильник Lectris 54W 6500K 220V IP20 1-LC-6003

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
63
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 4.1 – Характеристики світильника Lectris 54W 6500K 220V IP20
1-LC-6003
Тип освітлення Світильник
Тип світильника Загального освітлення
Форма Прямокутний, лінійний
Колір корпусу Білий, сірий
Матеріал корпусу Алюміній, пластик
Тип монтажу Накладний
Потужність 54 Вт
Частота 50 Гц
Термін служби 20000 годин
Температура світла 6500 К
Світловий потік 4850 лм
Ширина 70
Довжина 1200
Ступінь захисту IP20
Клас якості Стандарт
Кут світіння 160°
Колір світла Холодний
Провід живлення 2х0.75 200±10 мм
Клас енергоефективності А
Світлова віддача 90 лм/Вт
Напруга 165-265 В
Тип розсіювання Матовий (Frosted)

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
64
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

В даному типі світильника використовується n = 1 ламп, потужність
кожної лампи становить 54 Вт.
Визначимо світловий потік Fл для обраної лампи. Даний світильник є
світлодіодним, так як в ньому використовується світлодіодна стрічка B-LED
SMD5730, що відповідає за освітлення в світильнику. Світловий потік Fл =
4850 лм.
Світлодіодні лампи (LED) – це освітлювальні пристрої, в якості джерела
світла в якому застосовуються світлодіоди. Вважається, що вони є одними з
найбільш екологічно чистими джерелами світла. При пропущенні струму за
рахунок електронно-діркового переходу при протіканні струму дане
обладнання випромінює видиме світло. Іншими словами, напруга, яка
проходить через лампу перетворюється в фотони світла, що й дає лампі
світитися. Особливої утилізації світлодіодні лампочки не вимагають як,
наприклад, ртутні. Світлодіодні світильники, є найкращими для використання,
тому що мають переваги над іншими аналогами: високий термін служби та
надійність до 20000 годин роботи та мають велику світловіддачу 90 лм/Вт.
Перед газорозрядними лампами та лампами розжарювання LED лампи
мають певні переваги. Період розгорання газорозрядних ламп може досягати
10 хвилин, і при використовуванні даних ламп через пульсацію світлового
потоку можлива поява стробоскопічного ефекту. Перевагою LED лампи перед
лампами розжарювання є більша економічність електроенергії. Якщо лампа
розжарювання світиться за рахунок нагріву вбудованої в неї спіралі до
температури понад 30000С, то майже все споживання енергії йде саме на
отримання тепла, і лише 3% на вироблення світла. В випадку з світлодіодним
освітленням струм, який проходить через напівпровідниковий кристал, який,
в свою чергу, випромінює фотони з меншим нагріванням - дозволяє добитися
ККД до рівня 30% (в 10 разів більше). Таким чином, застосування світлодіодів
є більш економічним рішенням для освітлення приміщення.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
65
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Використовуючи метод коефіцієнту використання світлового потоку
можна розрахувати кількість світильників для забезпечення нормативного
рівня штучного освітлення:
��н∗��∗��∗��
�� = з (4.1)
��∗��л∗ 
де:
Ен – нормоване освітлення, лк (ДБН В.2.5-28-2006);
S = A * B – Площа приміщення (А – довжина приміщення, Б – ширина
приміщення);
z - коефіцієнт мінімального освітлення; z = 1 (для LED ламп);
Кз – Коефіцієнт запасу, який враховує зниження освітлення в процесі
експлуатації (для даного приміщення Кз = 1,4);
n - кількість ламп у світильнику;
Fл – світловий потік лампи;
 - коефіцієнт використання, відн. од.
300∗20∗1∗1,5∗100
�� = = 2,3195 = 3
1∗4850∗ 80
Для даної науково-технічної лабораторії, виходячи з результатів,
потрібно встановити 3 світильника на усій площі стелі приміщення.
Розташування світильників зображено на рисунку 4.4
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
66
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 4.4 – Схематичне зображення місць розташування світильників
Розрахунок потужності всіх світильників проводиться за формулою:
��в= ∑��
��=1 ���� (4.2)
де:
Pi – потужність лампи;
N – кількість ламп.
Отримуємо:
Pв = 1,2 * 54 * 3 = 194,4 Вт.
Розрахункове навантаження освітлювальної мережі визначаємо за
формулою:
Pp = Pв * Kc (4.3)

де:
Kc – коефіцієнт попиту (В нашому випадку приміщення являється
адміністративною будівлею, тоді Kc = 0,9).
Отримуємо:
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
67
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Pp = 194,4 * 0,9 = 174,9 Вт
Напруга, яка живить освітлювальну мережу, дорівнює 220 В. Для того,
щоб живити освітлювальну мережу потрібен дріт, який буде задовольняти
такі вимоги:
- Напруга повинна бути не нижче мінімальних значень на джерелах
світла;
- Для даного типу електропроводки механічна міцність має бути
достатньою;
- Дроти не мають нагріватись вище допустимої температури при
навантаженні.
Розраховуємо розрахунковий струм освітлювальної мережі:
����
Ip = (4.4)
��ф∗������
де:
���� – розрахункове навантаження освітлювальної мережі (4.3);
Uф – Напруга 220В;
cos - коефіцієнт потужності навантаження (Для LED ламп обираємо
0,95).
174,9
Ip = = 0,83
220∗0,95
Виходячи з отриманих результатів, можемо визначити, що дріт не
менше 0,5мм2 може використовуватися для проведення з’єднання
освітлювальної мережі.
4.3 Висновки
Аналізуючи умови праці, які були розглянуті в даній науково-технічної
лабораторії, можна сказати, що умови праці з ПК відповідають вимогам.
Чинники, які впливають на працівника, тобто об’єм та розміри робочого
місця, рівні шуму, вібрації, відносна вологість та освітленість, не
перевищують нормативних обмежень. Ергономічні показники робочого
місця та рівень зорової роботи – задовольняють вимогам і сприяють
зниженню втоми.
Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
68
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВОК

Під час виконання роботи було досягнуто наступних результатів:
• Розглянуто заснування та розвиток стандарту IEEE 802.15.4 ZigBee, що
охоплює основні етапи розвитку та вдосконалення.
• Проаналізовано архітектуру та стек протоколів ZigBee, що дозволило
краще зрозуміти принципи його роботи.
• Визначено основні функціональні характеристики ZigBee, такі як
енергоефективність, низька затримка та надійність передачі даних.
• Аналіз механізмів безпеки показав, що ZigBee забезпечує високий
рівень захисту даних завдяки шифруванню та автентифікації. Це
робить стандарт придатним для використання у критично важливих
застосуваннях.
• Обґрунтовано вибір Matlab/Simulink як середовища для моделювання
системи ZigBee. Показано, що Matlab/Simulink надає потужні
інструменти для моделювання та аналізу, що робить його оптимальним
вибором для дослідження бездротових мереж.
• Побудова функціональної схеми в Matlab/Simulink дозволила провести
імітаційне моделювання системи ZigBee.
Проведене дослідження підтвердило, що стандарт IEEE 802.15.4 ZigBee
є ефективним рішенням для побудови енергоефективних та надійних
бездротових мереж. Використання Matlab/Simulink для моделювання
дозволило детально проаналізувати роботу системи та оцінити її
продуктивність у різних умовах. Отримані результати можуть бути
використані для подальшого вдосконалення та оптимізації мереж ZigBee, що
робить цю роботу важливим внеском у розвиток бездротових технологій.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
69
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. https://uk.wikipedia.org/wiki/ZigBee
2. https://www.xterm.com.ua/novosti/chto-takoe-zigbee-i-pochemu-eto-
vazhno-dlia-vashego-umnogo-doma
3. https://www.sea.com.ua/ua/besprovodnye-
komponenty/news/bezdrotovi-standarti-so-take-zigbee/
4. https://svl.ua/ru/140-zigbee
5. https://www.rovdo.com/zigbee-stack
6. https://www.dusuniot.com/uk/blog/the-definitive-guide-for-zigbee-
gateway-for-solution-vendors/
7. https://xterm.com.ua/novosti/porivniannia-zigbee-ta-wifi-shcho-obrati
8. https://xterm.com.ua/novosti/porivniannia-zigbee-ta-z-wave-shcho-
obrati
9. https://itmaster.biz.ua/directory/standarts/zigbee.html#:~:text=ZigBee
%20протокол,мережевий%20рівень%20і%20прикладний%20ріве
нь.

Арк.
ТК206.024412.248 ПЗ
70
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets