Rozproszony system zbierania danych.

Rozproszony system zbierania
danych.
Zawartość
1.
2.
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
Wnioski................................................................................................................................ 5
2.1.
Rozwój projektu. .......................................................................................................... 5
2.2.
Przeprowadzone testy. ................................................................................................ 6
2.3.
Zastosowanie. .............................................................................................................. 6
Autor: Marek Brykczyński
http://www.mbmaster.pl
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
[email protected]
http://www.mbmaster.pl
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
PAN1. 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
2
szybkość transmisji radiowej 250[kbps] .
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
2
PAN - Personal Area Network
Dane podane przez producenta - Microchip
3
[email protected]
http://www.mbmaster.pl
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
Zdjęcie 2. Urządzenia slave.
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.
4
[email protected]
http://www.mbmaster.pl
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
[email protected]
http://www.mbmaster.pl
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
[email protected]
http://www.mbmaster.pl