CC BY
10
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018. Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018.
ИНТЕГРИРАНА СИСТЕМА ЗА ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ С ОТДАЛЕЧЕН И МОБИЛЕН ДОСТЪП
Стефан Лишев Технически Университет София - филиал - Пловдив
INTEGRATED HYSTEM FOR EXPERIMENTAL RESEARCH WITH REMOTE AND MOBILE ACCESS
Stefan Lishev
PhD student at TechnicalUniversity of Sofia, Branch Plovdiv
Abstract
Conducting research and experimentation requires controlled conditions to achieve the required precision, performance and safety. In cases where experiments are exploring slow processes, continuous measurements are required from days to months and storage of the obtained data. The paper describes an integrated system for automation of scientific experiments. It consists of a battery powered PIC microcontroller based logging module with capability for long-time work that connects through a wireless 802.15.4 connection to a server for storage and visualization of the received data. Server database and experiment parameter control access can be done via WEB page and a mobile Android application that allows convenient and flexible management and monitoring that meets current requirements and trends in the field.
Keywords: wireless sensor network, data acquisition, Android, monitoring, microcontroller
1. Въведение
Мрежовата свързаност е едно от най-важните изисквания към днешните инсталации за управление на процеси. Ако се използва споделена среда за комуникация е възможно създаването на мрежови разпределени системи за автоматизиране на управлението (Lazar, 2008). Все повече навлизат безжичните сензорни мрежи, които имат редица предимства -самоорганизация, бързо внедряване, гъвкавост и интелигентно управление (Silveira, 2016). За създаване на този вид мрежи стандартът ZigBee е често използван с добри резултати (Shariff, 2014). При разработването на представената система е избран по-различен подход. С цел повишаване на ефективността по отношение на цена, сложност и универсалност е използван стандартът IEEE 802.15.4. Той представлява основата, върху която е изграден ZigBee, изпълнявайки ролята на физическия и каналния слоеве според ISI модела. За създаване на безжична връзка е реализирана проста топология точка до точка (point-to-point), в контраст с по-сложно организираните топологии при ZigBee (Дочев, 2014).
2. Хардуерна и софтуерна архитектура
На фиг. 1 е представена общата схема на системата. Тя се състои от: модул за дълговременно събиране на данни от 1-Wire температурни сензори, който се захранва от две батерии тип АА, модул за безжична връзка, сървърно приложение, мобилно Android приложение. Използването на батерийно захранване дава предимства като гъвкавост и
намаляване на разходите при внедряване на системата в конкретната инсталация, върху която трябва да се извършва мониторинг и контрол. За целта на експерименталната установка са използвани сензори DS18S20/DS18B20 с точност от ±0.5°C в диапазона -10°C до +85°C. Чрез сензорите се измерва температурата в различни точки на експериментална инсталация с цел изучаване на свойствата на различни видове парафин като материал за съхранение на топлина с промяна на фазовото състояние. Максималният брой сензори, конто поддържа системата е 120.
Server
Baiic Module
V ^ \ Remote
1 -wir* метни Laming Module Clients
Фиг. 1 Блокова схема на системата
Модулът за събиране на данни е показан на фиг. 2. Изграден е на базата на 8-битов RISC микроконтролер PIC18F47J53 на фирмата Microchip. Избраният микроконтролер е подходящ за целта, защото притежава следните характеристики, удовлетворяващи изискванията за ниска консумация:
- режим на „дълбок сън" с минимална консумация от 13nA
- часовник за реално време, освобождаващ процесора от отброяването на времето. Поддържа аларми за събуждане на централния процесор, което се използва в моментите на четене на сензорите.
- лесно преминаване между различните режими на работа със запазване на данни и променливи в RAM паметта, което съществено намалява броя изпълнявани инструкции
Фиг. 2 Модул за събиране на данни
Фиг. 3 Блокова схема на модула
Блоковата схема на модула за събиране на данни е показана на фиг. 3. Физическата връзка със сензорите има характеристики на предавателна линия и затова е използван специализиран драйвер, чрез който се намалява влиянието на капацитета и индуктивността върху комуникацията. Използваният микроконтролер не притежава достатъчно RAM и EEPROM памет, които са необходими за целта, затова са добавени допълнителни чипове: 23LCV512 - серийна SRAM памет с размер 512 Kbit и 25AA02E48 - постоянна EEPROM
памет с размер 2 Kbit за съхранение на параметрите на системата. И двете памети са с SPI интерфейс. RAM паметта се използва основно за буфериране на измерените температурни стойности и буфериране на данните при осъществяване на радио връзката. Когато няма връзка с базовия модул и съответно със сървъра, данните се записват в SD карта памет. Поддържа се стандартна файлова система FAT32, което позволява SD картата да бъде достъпна за четене и от персонален компютър след изваждане от слота. Модулът за събиране на данни притежава и порт за директна USB връзка със персонален компютър в случай, че не се налага безжична такава. Портът беше използван активно по време на разработката на системата.
Безжичната връзка се осъществява чрез модул MRF24J40MA на фирмата Microchip, работещ по стандарт 802.15.4 на честота 2.4GHz. Използваната топология е точка до точка (point-to-point). Разстоянието за надеждна комуникация беше установено опитно, че зависи от това дали наблизо има Wi-Fi мрежи тип 802.11. Ако разстоянието между двата модула не е възможно да бъде намалено, съществуват решения, които могат да намалят влиянието на други 2.4GHz мрежи (Hong, 2014). На открито при отсъствие на други мрежи, които да предизвикват колизии разстоянието, което може да се постигне е около 100-200m, а в сгради около 10-15m.
На фиг. 4 е представен изглед към прототипната платка на базовия модул. За управление е използван микроконтролер PIC18F4455 на фирмата Microchip. Комуникацията със сървъра се извършва в текстов режим чрез набор от прости команди, разделени в две групи - команди „get" за четене и команди „set" за запис. Това решение позволява лесно тестване по време на разработка чрез използване на програма, емулираща сериен терминал. Форматът на командите има следния вид:
<тип командаget/set> <име команда> <параметър 1> <параметър 2> ...
Сървърното приложение представлява в основната си част програма тип „услуга" (service), като програмен език е използван C#. То комуникира чрез USB интерфейса с базовия модул, който се включва като виртуален сериен порт. За съхранение и архивиране на измерените стойности се използва Microsoft SQL база данни. Избрана е поради лесната
интеграция чрез езика С# и средата Microsoft Visual Studio. Предстои да бъде разработена Web страница, която да визуализира натрупаните данни.
Връзката мобилното
между сървъра и приложение за
операционната система Android се извършва чрез сокети в режим клиент-сървър чрез формат JSON. Потребителят се регистрира в системата с потребителско име и парола и след това получава достъп до измерените и архивирани температурни стойности от регистрираните сензори, както и до възможността да включи/изключи реле за управление.
Фиг. 4 Базов модул
На фиг. 5 е представен интерфейса на мобилното приложение, който визуализира измерените температури в числова и графична форма.
л »
it
tv I ft ■ WO WiV ¿и.jy
Фиг. 5 Мобилно приложение
3. Заключение
Описаната система беше тествана на територията на Технически Университет София - филиал Пловдив и показа, че е подходяща за провеждане на дълготрайни измервания. Притежава стабилност и гъвкавост, поради използването на безжична връзка между модула за събиране на данни и сървъра. Съчетаването на различни технологии за мрежова свързаност улеснява провеждането на експериментални изследвания и дава възможност за бързо постигане на резултати.
Използвана литература
[1] Dochev I. and K. Valkov, „ZigBee базираните системи за събиране на данни", Електроника 2014.
[2] Hong K., S. Lee and K. Lee, "Performance improvement in ZigBee-based home networks with coexisting WLANs", Pervasive and Mobile Computing 19 (2015) 156-166, http://dx.doi.org/10.1016/j.pmcj.2014.03.002.
[3] Lazar C. and S. Carari, "A Remote-Control Engineering Laboratory", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 55, NO. 6, JUNE 2008.
[4] Shariff F., N. Rahim and H Ping, "Zigbee-based data acquisition system for online monitoring of grid-connected photovoltaic system", Expert Systems with Applications 42 (2015) 1730-1742, http://dx.doi.org/10.1016/j.eswa.2014.10.007.
[5] Silveira E. and S. Bonho, "Temperature monitoring through wireless sensor network using an 802.15.4/802.11 gateway", IFAC-PapersOnLine 49-30 (2016) 120-125.
Автор - Стефан Лишев, докторант в ТУ-София-фл. Пловдив, маг. инж. компютърни системи и технологии. E-mail: stefan [email protected]
