Rozproszony system zbierania danych. Zawartość 1. Charakterystyka rozproszonego systemu.... 2 1.1. Idea działania systemu.... 2 1.2. Master systemu radiowego (koordynator PAN).... 3 1.3. Slave systemu radiowego (ZigBee Device).... 4 1.4. Aplikacja sterująca rozproszonym systemem.... 5 2. Wnioski.... 5 2.1. Rozwój projektu.... 5 2.2. Przeprowadzone testy.... 6 2.3. Zastosowanie.... 6 Autor: Marek Brykczyński
1. Charakterystyka rozproszonego systemu. Rysunek 1. Budowa rozproszonego systemu. Rozproszony system zbierania danych jest implementacją kilku szeroko stosowanych standardów. Komunikacja przewodowa w systemie jest zbudowana w oparciu o standard USB2.0 (wymiana informacji mikrokontroler <-> komputer) oraz standard SPI (wymiana informacji mikrokontroler <-> moduł radiowy). Zastosowanie jako interfejsu z komputerem PC standardu USB gwarantuje łatwą przenoszalność systemu z jednego komputera na drugi. Komunikacja bezprzewodowa odbywa się zgodnie z standardem IEEE 802.15.4 (pasmo 2,4GHz) oraz standardem ZigBee. Algorytmy wszystkich mikrokontrolerów są napisane w języku C. Ostatnią technologią użytą w systemie jest.net Framework. Aplikacja PC będąca interfejsem użytkownika jest napisana w języku C#. System posiada także możliwość rejestracji pomiarów on-line do pliku.csv, daje to możliwość zaimportowania danych pomiarowych do innych programów komputerowych takich jak Matlab lub MS Excel. 1.1. Idea działania systemu. Rozproszony system zbierania danych przeznaczony jest do wykonywania pomiarów analogowych oraz cyfrowych. Posiada on także możliwość sterowania wyjściami cyfrowymi modułów peryferyjnych. Wymiana informacji pomiędzy modułem zarządzającym systemem (Master) a modułami peryferyjnymi (urządzenia Slave) odbywa się bezprzewodowo. Moduł 2
zarządzający systemem komunikuje się również poprzez USB z aplikacją sterującą uruchomioną na komputerze PC. Aplikacja sterująca systemem jest interfejsem użytkownika. Wizualizuje ona otrzymane drogą radiową pomiary oraz daje możliwość wysterowania czterech wyjść cyfrowych w każdym urządzeniu slave. System zaprojektowany został tak, aby każdy z modułów slave wykonywał dwa pomiary analogowe o rozdzielczości 10 bitów (metoda kompensacji wagowej) oraz dwa cyfrowe. Dodatkowo każdy moduł slave posiada cztery wyjścia cyfrowe, których załączanie/wyłączenie możliwe jest poprzez aplikację PC. Za sterowanie systemem odpowiedzialna jest aplikacja PC. Aplikacja wizualizuje również stan komunikacji radiowej, której diagnostykę przeprowadza master systemu. Wszystkie mikrokontrolery wchodzące w skład rozproszonego systemu posiadają uruchomiony watchdog timer o okresie Zadaniem watchdog-a jest pilnowanie czy nie została utracona łączność radiowa w sieci, w wypadku utraty łączności następuje automatyczny reset urządzenia a następnie jego ponowna inicjalizacja. Komunikacja mastera systemu z komputerem PC odbywa się poprzez magistralę USB 2.0 w klasie HID, zapewnia to maksymalnej prędkości transmisji danych pomiędzy komputerem PC a masterem. Master systemu bezprzewodowego pełni funkcję koordynatora PAN 1. Jego zadaniem jest zarządzanie łącznością radiową w systemie. Komunikacja radiowa odbywa się w paśmie. Sieć bezprzewodowa zbudowana jest w oparciu o topologię gwiazdy. Maksymalny zasięg sieci bezprzewodowej tj.. Maksymalna szybkość transmisji radiowej 250[kbps] 2. 1.2. Master systemu radiowego (koordynator PAN). Master systemu radiowego zbudowany jest z mikrokontrolera PIC oraz modułu radiowego. Jego zadaniem jest komunikacja poprzez USB z komputerem PC oraz stworzenie sieci radiowej zgodnie z standardem ZigBee. Master zarządza siecią bezprzewodową jako koordynator PAN, wysyła rozkazy sterujące oraz odbiera dane pomiarowe od slave-ów. Do konstrukcji mastera zastosowany został mikrokontroler, który posiada zaimplementowany interfejs USB 2.0 Full Speed z możliwością transmisji danych po magistrali USB z prędkością do 12 Mbit/s. Mikrokontroler posiada 32kB pamięci flash. Spośród wszystkich mikrokontrolerów master posiadać musi dużą pojemność pamięci flash z uwagi na rozmiar algorytmu sterującego jaki został w nim zawarty: obsługa USB, organizacja sieci radiowej, diagnostyka sieci radiowej. Sieć radiowa zorganizowana przez mastera działa w trybie Zdjęcie 1. Koordynator PAN. 1 PAN - Personal Area Network 2 Dane podane przez producenta - Microchip 3
połączeniowym, oznacza to że po każdym pakiecie wysłanym radiowo przez mastera oczekiwane jest potwierdzenie otrzymania pakietu od modułu slave. Potwierdzenie wysyłane jest poprzez slave w postaci ramki ACK. Ramka ACK jest tworzona i odsyłana automatycznie przez moduł radiowy. Jeżeli master nie otrzyma sygnału w ACK w ściśle określonym czasie to rozpoczyna retransmisję pakietu. Maksymalna liczba retransmisji jest zdefiniowana przez standard IEEE 802.15.4. 1.3. Slave systemu radiowego (ZigBee Device). W rozproszonym systemie zbierania danych zaprojektowano dwa slave-y. Zbudowane moduły slave są identyczne. Moduł slave zbudowany jest z mikrokontrolera PIC oraz modułu radiowego. Moduł slave dokonuje pomiaru dwóch wielkości ciągłych za pomocą wejść analogowych oraz dwóch wielkości binarnych, posiada także gotowe do wysterowania cztery wyjścia cyfrowe. Każdy slave pracuje w trybie nasłuchu, oczekuje na informacje z rozkazem otrzymaną radiowo od mastera. Po otrzymaniu pakietu wysyła do mastera sygnał ACK będący potwierdzeniem. Następnie ma określony przedział czasu na wysłanie do mastera odpowiedzi z danymi pomiarowymi. Slave również oczekuje na sygnał ACK od mastera będący potwierdzeniem otrzymania danych. Jeżeli nie otrzyma sygnału ACK to powtarza transmisję tak długo aż otrzyma sygnał ACK lub przekroczy maksymalną liczbę prób retransmisji. W wypadku gdyby slave nie otrzymał w określonym przedziale czasu rozkazu od mastera to zostaje on wyresetowany przez watchdog-a. Jedyna różnica pomiędzy modułami slave jest w ich adresach MAC oraz numerach PAN ID. Zdjęcie 2. Urządzenia slave. 4
1.4. Aplikacja sterująca rozproszonym systemem. Zdjęcie 3. Aplikacja sterująca rozproszonym systemem. Aplikacja sterująca rozproszonym systemem zbierania danych została napisana w języku C# pod platformą.net Framework 3.5. Aplikacja realizuje szereg następujących zadań: wizualizacja statusu połączeń z urządzeniami będących częścią systemu, wizualizacja danych pomiarowych otrzymanych drogą bezprzewodową, sterowanie wyjściami cyfrowymi w urządzeniach slave, rejestrowanie pomiarów do plików.csv. 2. Wnioski. 2.1. Rozwój projektu. Rozproszony system zbierania danych jest w stanie ciągłego rozwoju. Główne kierunki to: miniaturyzacja układów elektronicznych (technologia SMD); komunikacja poprzez USB2.0 w trybie Full Speed; stworzenie interfejsu komunikacyjnego z masterem po sieci Ethernet; zwiększenie zasięgu komunikacji bezprzewodowej (na rynku dostępne są moduły radiowe o dziesięciokrotnie większym zasięgu); stworzenie uniwersalnej aplikacji PC (aktualna wersja stworzona jest pod platformę.net Framework 3.5); energooszczędność (wykorzystanie trybu sleep w mikrokontrolerach); konstrukcja topologii sieciowej typu mesh. 5
2.2. Przeprowadzone testy. Dotychczas udało się wykonać jednokrotnie test zasięgu. Największy maksymalny zasięg osiągnięty w warunkach przemysłowych to 45,8 +/- 0,5[m], testy zostały przeprowadzone w zamkniętej przestrzeni budynku magazynu o wymiarach (dł. =40[m], szer. =23[m] wys.=11[m]) przy wzajemnej widoczności anten modułów radiowych. W trakcie przygotowań jest test długości czasu pracy modułów systemu na zasilaniu bateryjnym. 2.3. Zastosowanie. Rozproszony system przewidziany jest do zastosowania w miejscach, gdzie użycie komunikacji przewodowej będzie awaryjne lub ekonomicznie nieopłacalne. Konstrukcja systemu pozwala na transmisję danych wielodrogowo. Dzięki wielodrogowości połączeń komunikacyjnych oraz dobrze zorganizowanej diagnostyce projekt zastosowany może być w systemach bezpieczeństwa. Kolejnym przewidywanym zastosowaniem dla systemu są mobilne pomiary wielopunktowe. Mobilność zapewniona jest przez bateryjny sposób zasilania oraz łączność bezprzewodową. Rozproszony system zbierania danych może znaleźć zastosowanie również w automatyce budynkowej. 6