CC BY
50
УДК 004.75 М.И. Мельников
Автоматизированная система мониторинга по сетям TCP/IP
Рассмотрены процесс разработки распределенной системы мониторинга параметрических характеристик состояния технологического процесса,а также примеры работы с сетью MicroLAN.
В настоящее время большое распространение получили сети передачи данных, основанные на технологии TCP/IP. Через сети, построенные на этой технологии, работают множество других инфраструктур, как-то: междугородняя и международная телефония (IP-телефония), теле- и радиовещание (интернет-радио и потоковое видео, Apple-TV), и, конечно, на основе протокола TCP/IP [1] работает сеть Internet, что является неоспоримым плюсом. Все возрастающая популярность этой Всемирной сети является одновременно и основным двигателем ее прогресса. Сейчас в эту сеть можно получить доступ из любой точки мира.
Задачей нашей разработки является получить универсальный шлюз для передачи технологической информации через сети, построенные на базе TCP/IP, в нашем конкретном случае это данные со счетчиков расхода воды и электроэнергии, а также датчиков температуры и давления воды и напряжения в электрической сети. Вследствие того, что методы доступа в сети TCP/IP весьма различны, разрабатывается модульная система, состоящая из ядра и периферийных, коммуникационных устройств, обладающих двунаправленным каналом связи с ядром. На рис. 1 приведена общая структур-
Рис. 1. Структурная схема контроллера Рассмотрим более подробно все элементы системы. Начнем с ядра.
Ядром системы является микроконтроллер производства фирмы А^е1 — Atmega 64 [2]. Это современный, 8-разрядный RISC-микроконтроллер, имеющий 64 кб энергонезависимой памяти и 4 кб ОЗУ. Он имеет следующие интерфейсы: 2 UART, SPI, 12С, а также возможность адресации дополнительных 64 кб внешней RAM-памяти. Данный микроконтроллер является оптимальным для решений подобного типа. В общем виде структурная схема представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема микроконтроллера
М.И. Мельников. Автоматизированная система мониторинга по сетям TCP/IP
99
Далее рассмотрим неинтеллектуальные датчики, они подключаются к ядру через интерфейс токовой петли. К датчикам такого типа относятся датчики давления, температуры [3].
Цифровыми же являются датчики, обладающие цифровым интерфейсом и передающие данные в цифровом виде. Наиболее распространенной является технология MicroLAN, разработанная фирмой Dallas Semiconductor [4]. Для осуществления цифровой связи MicroLAN использует одну линию данных и один возвратный провод. При небольшом числе приборов сеть MicroLAN имеет шинную архитектуру с подключением всех приборов на общую магистраль. Структура сети может иметь древовидный характер, пример древовидной структуры представлен на рис. 3. При этом главный ствол подключается к ведущему устройству сети MicroLAN. Сеть обладает практически неограниченным адресным пространством и допускает работу на расстоянии до 300 м без дополнительных повторителей или усилителей сигнала. В наиболее удаленной точке каждой ветви подключается микросхема iButton, служащая меткой ветви. Метка позволяет контролировать прохождение электрического сигнала и целостность ветви. Для обеспечения надежности передачи по сети MicroLAN в условиях нестабильного электрического контакта передача осуществляется в виде отдельных пакетов данных. Каждый пакет завершается контрольной суммой, что позволяет ведущему шины сразу регистрировать ошибки и принимать меры для повторной передачи.
Аналоговые датчики подключаются к DS2450, который представляет собой четырехканальный шестнадцатиразрядный аналогово-цифровой преобразователь и также подключается к сети MicroLAN.
При использовании данного протокола можно заниматься мониторингом целого ряда параметров на довольно большой площади покрытия.
Рассмотрим варианты дополнительной оснастки. К ней относятся: контроллер шины USB, реализация обратной связи с объектом управления посредством подключения реле и индикаторных устройств, в том числе жидкокристаллического дисплея и устройств ввода.
В качестве USB контроллера используется контроллер фирмы Atmel — AT90USB82, а для управления ЖКИ дисплеем — контроллер ATmega169. Применение контроллеров одного производителя позволяет сократить время отладки микрокода контроллеров и решить множество проблем совместимости.
По умолчанию контроллер оснащается коммуникационным интерфейсом Ethernet 10—100 Mbit/s, реализуемым посредством контроллера WizNET W5100 [5], в котором реализован аппаратный стек TCP/IP, что упрощает реализацию протоколов более высокого уровня. W5100 обладает более чем удовлетворительной пропускной способностью до 4 Mbit/s, что более чем достаточно для нужд автоматизации сбора информации о состоянии жилищного фонда. Физический уровень протокола Ethernet также реализован на основе этого микроконтроллера.
В качестве резервного интерфейса используется GSM-терминал Siemens MC35i. Данный терминал хорошо зарекомендовал себя в системах по приему платежей. С его помощью осуществляется и оповещение обслуживающего персонала о текущих неисправностях системы сбора информации посредством отправки соответствующих SMS-сообщений.
Система в целом представляет клиент-серверную структуру, клиентами которой являются контроллеры, осуществляющие сбор информации и передачу ее на сервер, на котором происходят конечная обработка полученной информации, хранение и передача ее на диспетчерскую станцию. Все данные передаются по протоколу ModBUS с использованием шифрования AES c 128-битным ключом. Это позволяет говорить о конфиденциальности передаваемой информации. Общую структуру системы сбора информации можно увидеть на рис. 4.
Рис. 3. Пример оптимизированной MicroLAN
Диспетчерская станция
GSM
□
Сервер
ГШ
Internet
а
D
Контроллер
Рис. 4. Общая структура системы сбора информации
Использование протокола ModBUS позволяет унифицировать систему, что дает возможность использовать ее с наиболее распространенными SCADA. И как следствие — облегчение разработки интерфейса оператора и серверных приложений.
Выводы. Данная система сбора информации о состоянии жилищного фонда разрабатывается как универсальное и максимально масштабируемое решение, с умеренной стоимостью конечной разработки, а так же простотой в обслуживании и обновлении.
Конечный продукт представляет собой не только комплексное решение, но и отдельный контроллер, снабженный гибкой системой настроек, позволяющий другим системным интеграторам строить на его основе свои решения.
Литература
1. Олифер В.Г., Олифер H.A. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учеб. для вузов. — СПб.: Питер, 2006.
2. Информационный сайт компании Atmel — http://www.atmel.ru/
3. Сергиенко A.B. Цифровая обработка сигналов. — СПб,: Питер, 2003.
4. Описание структуры сети MicroLAN — http://www.chipnews.ru/
5.Информационный сайт компании WizNET — http://www.wiznet.co.kr/
Максим Игоревич Мельников
ГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» Студент 5 курса кафедры ИИТ гр. 533-1 Эл. почта: [email protected].
M.I.Melnikov
The automated system of monitoring on base of networks TCP/IP
In clause process of development of the distributed system of monitoring of parametrical characteristics of a condition of technological process is considered. And as examples of work ith network MicroLAN are considered.
