CC BY
38
руемых при цифровой обработке данных // Известия ТулГУ. Сер. Математика. Механика. Информатика. Т. 7. Вып. 3. Информатика. Тула: ТулГУ, 2002. С. 104 - 110.
7. Костров Б.В., Саблина В. А. Адаптивная фильтрация изображений со структурными искажениями // Цифровая обработка сигналов. № 4. 2008. С.49 - 53.
8. Аршакян А.А., Клещарь С.Н., Ларкин Е.В. Оценка статических потерь информации в сканирующих устройствах // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 388 - 395.
Аршакян Александр Агабегович докторант, канд. техн. наук, elarkin@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE INFORMA TICS OF SCANNERS A.A.Arshakyan
A process of image facsimile digital models forming is investigated. In scanners two relatively independent channels: channel of modulation factor measurement and channel of scene objects spatial position measurement. It is shown that measurement errors of channels under investigation lead to information losses in scanner devices. Dependencies for quantitative losses of information are obtained.
Key words: facsimile digital model of scene, modulation factor, information, losses of information, entropy.
Arshakyan Alexander Agabegovich, postgraduate, candidate of technical science, elarkin@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.75
КОММУНИКАЦИОННЫЙ ПРОТОКОЛ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИТЕМЫ МОНИТОРИНГА С АВТОМАТИЧЕСКИМ МАСШТАБИРОВАНИЕМ
А. О. Агапкин, Ф.А. Данилкин
Рассмотрены принципы организации коммуникационного протокола для проектирования гибких и автоматически масштабирующихся систем мониторинга как части выполнения стратегии обеспечения комплексной безопасности на основе непрерывного мониторинга. Описанная методика позволяет проектировать системы мониторинга, соответствующие расширенному набору требований в сравнении с существующими стандартными протоколами.
Ключевые слова: система безопасности, коммуникационный протокол, мониторинг, система мониторинга, автоматическое масштабирование
Сегодня в рамках технических наук большое внимание уделяется разработке систем безопасности. Это связано с тем, что с информатизацией и автоматизацией различных сфер жизни человека, а также по мере
20
непрерывного роста технологической мощности создаваемых им систем, всю большую актуальность приобретают проблемы обеспечения безопасности функционирования жилых и нежилых зданий, инфраструктурных объектов и т.д.
Существуют различные стратегии обеспечения безопасности зданий, применяемые в зависимости от частоты выхода параметров за допустимые пределы [1]. Среди них стратегии отслеживания экстремальных ситуаций, стратегии долговременного периодического наблюдения и стратегии, основанные на использовании систем мониторинга.
Для создания систем обеспечения комплексной безопасности целесообразнее использовать в качестве одной из подсистем систему мониторинга.
Суть процесса мониторинга заключается в систематическом сборе, то есть регистрации, хранении и анализе данных об ограниченном наборе признаков объекта мониторинга. На основании собранных текущих данных об относительно небольшом количестве признаков, называемых критическими, системой мониторинга делается вывод о режиме функционирования объекта. Собранные данные о признаках, называемых ключевыми, поступают в другие подсистемы, например, в подсистему обработки данных, после чего данные передаются в подсистему принятия решений.
Если рассматривать непосредственно организацию системы мониторинга, то к ней, как правило, предъявляется ряд требований.
1. Система должна осуществлять мониторинг требуемых параметров непрерывно.
2. Система должна отслеживать выход объекта из штатного режима работы и оповещать об этом.
3. Система должна обеспечить сохранность данных до момента передачи их в систему обработки информации.
Данный список можно расширить при помощи дополнительных требований к системе, выполнение которых некритично для работы системы, однако система, соответствующая им, способна работа значительно более эффективно.
4. Система должна автоматически идентифицировать случаи отключения устройств системы или выхода их из строя.
5. Система должна автоматически идентифицировать подключение к ней новых устройств. Повторный запуск неработающего устройства при этом может рассматриваться как подключения нового устройства.
6. Система не должна передавать на верхний уровень для обработки все собранные данные. Избыточная информация должна отсекаться, к ней могут относиться, как неключевые параметры системы, так и данные о значении параметров, не несущие новой для системы обработки информации.
Перечисленные требования 1-3 позволяют реализовать работу по
сбору информации по уже существующим коммуникационным протоколам [2]. Однако выдвинутые здесь требования 4-6 требуют расширения стандартных протоколов, либо разработки нового протокола для данной системы.
С формальной точки зрения систему мониторинга можно представить как упорядоченное множество S =< D,P,C,F,M, A >, где D - устройства системы, P - параметры устройств системы, C - команды, выполняемые устройствами системы, F - множество функций, необходимых для классификации множества сообщений M системы безопасности, A -адресное пространство устройств системы.
Множество сообщений системы задает коммуникационный протокол, при помощи которого возможен сбор информации и передача данных.
Коммуникационные протоколы систем мониторинга удобнее проектировать как клиент-серверные. Однако на практике, как правило, сложно организовать работу устройств системы по таким протоколам.
Поэтому в качестве организации протокола была выбрана структура, при которой в любой паре логически сопряженных устройств (dj, dj)
можно выделить ведущее устройство ("master") и ведомое ("slave"). Эти роли внутри всех пар логически сопряженных каналами коммуникации устройств жестко заданы и не могут меняться.
Для разработки протокола, таким образом, на первом этапе можно выделить в системе для каждого устройства dj множество параметров
N
данного устройства Pj с P и множество команд Cj с C , причем U Pj = P
j=1
N
и U C, = C .
j =1
Вторым этапом разработки является выбор размера объединенного пространства параметров-команд PN с дальнейшей его сегментацией на интервалы в зависимости от типов устройств, представленных в системе. Под объединенным пространством параметров-команд понимается множество идентификаторов, образующее два непересекающихся подмножества: подмножество параметров и подмножество команд.
В разрабатываемой системе выделяется группа общих параметров
N
Po = I Pj, относящихся сразу ко всем устройствам системы. В качестве j=1
таких параметров выступают различные универсальные в пределах системы идентификаторы, идентификаторы типа устройства. Аналогично была
N
выделена и общая группа команд системы Co = I Cj. Примерами общих
j =1
для всех устройств системы команд могут служить команды перевода устройств в требуемое состояние, команды для приведения параметров устройств к их значениям по умолчанию. В случае, если общие группы команд и параметров представляют собой непустые множества, целесообразно для упрощения дальнейшей практической реализации системы, разместить данные группы в начале соответствующего им подпространства в объединенном пространстве параметров-команд РИ.
Затем в рамках данного этапа каждой группе однотипных устройств выделяется сегмент соответствующего подмножества пространства РИ. Для упрощения реализации системы в дальнейшем интервал между началами сегментов можно сделать одинаковым, равным
тах(тах(|р |,| С; |))
И = 2
п
2
п
При таком способе сегментации пространства РИ его размер всегда будет
кратен 2п, где п - число байт, с помощью которых можно однозначно закодировать его элемент. Причем в большинстве случаев часть этих элементов остается свободными, что важно для возможности добавления в систему новых параметров и команд, относящихся к уже имеющимся в системе устройствам. Так же, как правило, в объединенном пространстве РИ остаются свободные сегменты, необходимые в том случае, если в систему будут добавлены устройства нового типа.
Описанный этап позволяет добиться того, что разрабатываемый протокол обладает с одной стороны свойством масштабируемости, то есть размеры множеств, с которыми придется оперировать при его практической реализации, будут варьироваться в зависимости от размера системы и от степени разнообразия выполняемых ею функций. С другой стороны разрабатываемый в соответствии с предложенной методикой протокол обладает свойством дополняемости, то есть в систему могут быть относительно легко введены устройства нового типа, а также наборы параметров и команд уже существующих устройств могут быть до определенной степени расширяться.
Далее, на третьем этапе разработки, система представляется в виде иерархической древовидной структуры
8Т = < Ам >,
узлами которой являются устройства, а дугами - сообщения, передаваемые между устройствами. Множество сообщений системы, таким образом, было сформировано в результате объединения
N N
м = и и Му,
/=1/=1
где Му - множество сообщений передаваемых от устройства устройст-
ву й/, причем Мц = [ф] для I = 1,...,N.
Преимущество предложенной методики состоит в его независимости от технологий реализации системы. Разработанный с ее помощью прокол может использоваться для проектирования классических проводных систем мониторинга, обладающих большей надежностью, меньшей стоимостью оборудования, возможностью осуществлять структурный мониторинга объектов, занимающих достаточно большую область пространства.
Также с использованием описанной методики могут проектироваться и беспроводные системы мониторинга [3], более простые при размещении на уже функционирующих объектах.
Так как практически любое устройство (кроме корневого и устройств, находящихся на нижнем уровне иерархии) может выступать и в роли ведущего, и в роли ведомого, то программу работы устройства можно условно разделить на две части.
Первая часть работы заключается в получении информации от ведомых по отношению к данному устройств. Вторая часть работы программы, по сути, состоит в проверке наличия команд от ведущего устройства и их выполнении.
В виде общей блок-схемы работа программы устройства системы представлена на рис. 1.
На приведенной схеме I - работа устройства в качестве ведущего устройства, а II - работа устройства в качестве ведомого, выполняемая только при наличии сообщений в буфере устройства.
Программа представляет собой бесконечный цикл, так было выполнено требование непрерывности мониторинга параметров. Требования 2 и 3, то есть требование сохранности данных и требование отследить изменение режима работы объекта было реализовано при помощи периодического поступления устройству сообщений, которые он обрабатывает и отправляет в ответ на них собранную им информации и обработанные данные о режиме работы объекта мониторинга.
В случае если не удается опросить некоторое устройство , оно помечается как неработающее, адрес устройства к становится незанятым. Общее количество зарегистрированных в программе устройств N декрементируется. Так был реализован постоянный контроль отключения устройств или их неисправности.
Регистрация подключения к системе новых устройств в описанной выше схеме соответствует случаю попадания программы в ветвь условия, проверяющего их наличие. Это реализуется при помощи специальной метки, идентифицирующей данные устройства как незарегистрированное. В качестве такой метки, например, был использован использовать следующий механизм.
Рис. 1. Цикл работы программы устройства в системе мониторинга
Рис. 2. Диаграмма работы устройства системы мониторинга. 1 - инициализация устройства,
2 - опрос ведомого устройства 1,3- ответ ведомого устройства 1,4- обработка ответа ведомого устройства 1, 5- опрос ведомого устройства N,6- ответ ведомого устройства N,7- обработка ответа ведомого устройства 1,8- проверка наличия новых устройств, 9 - ответ нового устройства, 10 - регистрация нового устройства, 11 - отправление ведущим устройством сообщения, 12- проверка наличия сообщений, 13- обработка сообщения, 14- обработка ответа
на сообщение ведущим устройством
Все подключаемые устройства на этапе их инициализации присваивают себе в своей программе нулевой адрес. А после определения факта подключения по уникальному идентификатору устройства, присвоенному при его программировании, устройству выдается первый свободный адрес к. После этого общее количество устройств N инкрементируется, а устройство dfc считается зарегистрированный в системе и учитывается на
этапе опроса.
Еще одним из требований к системе, реализуемых при помощи особенностей организации коммуникационного протокола, была максимальная разгрузка устройств более высокого уровня в иерархии системы. Это было достигнуто фильтрацией несущественной информации. В частности, при получении сообщения о запросе наблюдаемых устройством параметров, устройство должно не всякий раз отправлять хранящиеся в его памяти параметры, а только при их изменении. Для случая, когда параметры остаются неизменными, в разрабатываемом протоколе должно быть предусмотрено сообщение специального типа.
Описанные принципы проектирования коммуникационного протока позволяют строить разнообразные системы мониторинга. Оптимизация разрабатываемой системы может осуществляться, например, средствами квадратичного целочисленного программирования [4]. В данном случае решается задача минимизации критерия, например стоимости оборудования в проектируемой системе или стоимости передачи данных, также возможна и многокритериальная оптимизация.
С применением перечисленных принципов возможны разработка коммуникационного протокола и проектирование на его основе системы мониторинга. Обобщенная диаграмма работы устройства в системе представлена на рис. 2.
Таковы основные принципы организации коммуникационного протокола, они позволяют проектировать более гибкие системы мониторинга за счет произвольного количества контролируемых ею параметров и автоматического отслеживания подключения и отключения устройств и более эффективные системы с точки зрения загрузки каналов системы.
Список литературы
1. Eric Gregory Straser, Anna S. Kiremidjian. A Modular, Wireless Damage Monitoring System for Structures //Department of Civil and Environmental Engineering, Stanford University (1998).
2. Modbus I. D. A. Modbus application protocol specification v1. 1a //North Grafton, Massachusetts (www.modbus.org/specs.php). 2004.
3. Dermibas, M. Wireless sensor networks for monitoring of large public buildings. University at Buffalo, Tech. Rep (2005).
4. Данилкин Ф.А., Новиков А.В., Седельников Ю.В., Сычугов А. А. Применение целочисленного квадратичного программирования в задачах проектирования систем мониторинга//Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 288-295.
Агапкин Александр Олегович, магистрант, alexander_ag90@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Данилкин Федор Алексеевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
A COMMUNICATION PROTOCOL OF A DISTRIBUTED MONITORING SYSTEM WITH
A UTOMA TIC SCALING
A.O.Agapkin, F.A.Danilkin
Organization principles of a communication protocol for developing flexible and scalable systems of distributed monitoring as a part offollowing the strategy of providing complex security by means of continuous monitoring is considered. Described methodology allows developing monitoring systems that correspond to an expanded list of demands in comparison with standard protocols.
Key words: security system, communication protocol, monitoring, monitoring system, automatic scaling
Agapkin Alexander Olegovich, magistrand, alexander ag90amail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Danilkin Fedor Alekseyevich, doctor of technical science, professor, fdanilkinayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
