Аппаратная составляющая измерительного устройства состоит из 5 основных частей, к которым относятся радиомодуль, модуль обработки информации, система хранения данных, устройства ввода/вывода и система электропитания. Стоит отметить, что данные блоки будут так или иначе входить в состав измерительного устройства, в независимости от платформы его реализации. Структурная схема измерительного устройства представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема измерительного устройства

Радиомодуль необходим для приема и передачи сигналов между устройством и базовой станцией. На основе принятых им данных и проводятся измерения таких параметров, как RSSI, SNR, BER в реальном времени. Модуль обработки информации является основным элементом системы и необходим для декодирования полученной информации, ее обработки и визуализации, вывода информации на внешний дисплей, а также для управления остальными блоками устройства. Кроме того, модуль обработки информации контролирует ведение базы данных и обеспечивает сохранение и загрузку информации из нее. Система хранения данных предназначена для хранения пользовательских данных, служебной информации и программного обеспечения. Устройства ввода/вывода предназначены для визуализации данных и внешнего управления устройством. В качестве примера можно привести дисплей. Система электропитания должна обеспечивать возможность работы устройства от промышленной сети, либо в автономном режиме (от аккумуляторных батарей). Также система электропитания может включать в себя блоки для зарядки аккумуляторных батарей и преобразователи напряжения. Наиболее важными частями измерительного устройства, определяющими его характеристики и работу, являются радиомодуль и модуль обработки информации.

Радиомодуль в рассматриваемой схеме представляет собой модем сотовой связи. Для подключения радиомодуля к модулю обработки информации используется последовательный порт (интерфейс UART).

Изучив перечни предоставляемых на рынке радиомодулей выбор был остановлен на двух экземплярах – SIMCom SIM7600E-H и Quectel AG35-E. Для сравнения были выбраны именно эти два модуля, поскольку они являются наиболее универсальными, так как поддерживают все актуальные на сегодняшний день стандарты сотовой связи. В таблице 1 представлена сравнительная характеристика, содержащая основные технические характеристики, габариты, условия эксплуатации и розничные цены [1] [2].

Таблица 1

Сравнительная характеристика радиомодулей

На основании таблицы 1 можно сделать вывод, что рассмотренные модули имеют примерно одинаковые скоростные показатели передачи данных и интерфейсы, но меньший показатель энергопотребления и практически вдвое меньшая розничная цена делают использование модуля SIMCom SIM7600E-H более выгодным вариантом.

Вариант реализации модуля обработки информации выбирался, исходя из следующих критериев:

• наличие минимум одного последовательного порта является обязательным требованием, поскольку необходимо подключение радиомодуля (при этом, чем больше последовательных портов имеет модуль, тем более многофункциональным в итоге может получиться устройство);
• высокое быстродействие устройства;
• низкое энергопотребление для увеличения времени автономной работы устройства;
• небольшие габариты для удобства использования устройства и обеспечения его мобильности;
• низкая розничная цена.

Среди вариантов фигурировали такие устройства, как Arduino (моделей Uno и Mega 2560), микрокомпьютера Raspberry (моделей Pi 3 Model B и Pi 4 Model B), отладочную плату Core429I на основе микроконтроллера STM32F и отладочную плату Z-Turn Board, основанной на ПЛИС Zynq-7020 от компании Xilinx. На основе приведенных выше критериев была составлена сравнительная характеристика, представленная в таблице 2 [3] [4] [5] [6] [7] [8].

Таблица 2

Сравнительная характеристика модулей обработки информации

Рассмотрев сравнительную характеристику вариантов реализации системы обработки информации, можно сделать следующие выводы:

• Каждое из рассмотренных устройств имеет возможность подключения внешнего экрана, поэтому при сравнении устройств данный критерий в дальнейшем можно не учитывать.
• Исходя из производительности, быстродействия и особенностей работы последовательных портов (не могут работать одновременно – только по очереди) продукты Arduino не подходят для реализации устройства, удовлетворяющего упомянутым выше критериям.
• Среди продуктов Raspberry будет уместнее выбрать модель серии 3, поскольку ее производительности вполне хватает для реализации измерительного устройства, но в сравнении с 4 серией, она имеет более низкое энергопотребление и более низкую розничную цену.
• Устройство на основе STM32 удовлетворяет требованиям по энергопотреблению, последовательным портам и розничной цене, но имеет недостаточно высокую производительность, что является ее главным недостатком.
• Устройство на основе Zynq-7020, в среднем, удовлетворяет требованиям по быстродействию и энергопотреблению, но наличие только одного последовательного порта и достаточно высокая розничная цена являются значительными минусами.

Таким образом, на основании приведенных выше сравнительных характеристик было принято решение разработать измерительное устройство на базе микрокомпьютера Raspberry Pi 3 Model B и радиомодуля SIMCom SIM7600E-H. Кроме того, в состав измерительного устройства входят плата расширения Raspi UPS HAT v1.0, к которой подключен литий-ионный аккумулятор (напряжение 3,7 В, емкость 2600 мА×ч), карта памяти типа MicroSD (объем 16 Гб), GPS-модуль (служит для определения местоположения устройства и синхронизации с сетью) и двухдиапазонная антенна микрополоскового типа (698-960/1710-2690 МГц). Структурная схема тестового устройства с указанием интерфейсов подключения представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема разработанного измерительного устройства

Стоит отметить, что интерфейс подключения радиомодуля (USB-UART) реализован программно, что позволяет в будущем улучшить устройство путем добавления дополнительных радиомодулей.

Корпус для устройства был разработан на 3D-принтере. С его учетом габариты устройства составили 115x63x32 мм. Внешний вид тестового устройства представлен на рисунке 3.

а)                                                                    б)

Рисунок 3. Внешний вид тестового устройства:

а) без корпуса; б) в корпусе

Конфигурация радиомодуля производится с помощью AT-команд, представляющих из себя короткие текстовые сроки, каждая из которых начинается с букв AT (от англ. Attention. Эти команды позволяют определить режим работы модуля, порядок его взаимодействия с сетью, провести настройки аппаратной части и так далее. В общем виде любая AT-команда имеет следующую структуру: AT + «КОМАНДА». AT-команды разработаны выпускающими компаниями специально под свои устройства и описаны в руководстве пользователя для каждого конкретного радиомодуля. Выбранный нами радиомодуль SIMCom SIM7600E-H имеет около трехсот различных команд [9].

Пользовательский интерфейс состоит из нескольких экранов, переключение между которыми осуществляется с помощью блока, расположенного слева. Так как веб-интерфейс является адаптивным, то блок переключения в случае маленького дисплея расположен в нижней части.

Список экранов:

• Dashboard;
• Charts;
• Map;
• Database (включает в себя окна Basestations, Signal, Heatmap);
• System;
• Settings;

Экран Dashboard содержит в себе элементы других экранов (графики Signal level и Bit Error Rate, а также данные о подключенной сети и состояние устройства). Пример экрана Dashboard представлен на рисунке 4.

а)                                б)

Рисунок 4. Экран Dashboard:

а) элементы экрана Charts; б) элементы экрана

Экран Charts, как следует, из названия, содержит в себе расширенные возможности по работе с графиками. Пример экрана Charts представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Экран Chars

На экране карты (Map) пользователь может проводить измерения параметров сигнала с привязкой к определенной географической точке. Для этого требуется переключить карту в режим измерения с помощью кнопки, расположенной в правом верхнем углу экрана. Далее пользователь может настроить режим модема и запустить режим измерения. После чего измерения можно проводить путем нажатия на требуемую точку карты. Примеры экрана Map в различных режимах представлены на рисунке 6.

а)                                                        б)

Рисунок 6. Примеры экрана Map:

а) Scan mode; б) Measure mode

При проведении измерений необходимо прежде всего выявить основные параметры измерений. К таким параметрам относятся:

• уровень сигнала (в дБм);
• коэффициент битовой ошибки (BER);
• идентификаторы (IMEI, IMSI, MCC, MNC, TA, LAC, CELL ID, LAC);
• номер радиоканала (CN);
• данные о соседних сотах (их идентификаторы и нагрузка).

Также необходимо учитывать условия проведения испытаний, поскольку, например, большое скопление абонентов в зоне проведений испытаний могут повлиять на их результаты.

Измерения необходимо проводить в соответствии с некоторым алгоритмом, который схематично представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Алгоритм проведения измерений

Таким образом, для разработки тестового измерительного устройства были проведены анализ и сравнение аппаратных платформ и выявлены наиболее привлекательные по ряду параметров.

Разработанное устройство обладает следующими функциями:

• отображение данных о сигнале (уровень, номер частотного канала и частота, стандарт, отношение сигнал/шум);
• отображение данных о базовых станциях (геолокация, оператор, номер частотного канала и частота);
• запись сигнала в реальном времени и сохранение в базу данных с последующей возможностью редактирования и воспроизведением в виде графиков;
• встроенная оффлайн-карта, позволяющая отобразить все базовые станции из базы данных, а также вести работу в режиме измерения с последующим сохранением в базу данных.

Доступ к перечисленным функциям осуществляется посредством адаптивного веб-интерфейса, что позволяет работать с разработанным измерительным комплексом с любого устройства (ноутбук, смартфон, планшет и т. д.).