CC BY
16
УДК 004.65 ББК 32.972.34 К 72
Костюк Андрей Иванович
Доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники института компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета, Таганрог, тел. (8634) 371656, e-mail: aikostyuk@sfedu.ru Беспалов Дмитрий Анатольевич
Доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники института компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета, Таганрог, тел. (8634) 371656, e-mail: dabespalov@sfedu.ru Романов Виталий Владимирович
Магистрант кафедры вычислительной техники института компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета, Таганрог, тел. (8634) 371656, e-mail: vromanov@sfedu.ru
Принципы создания системы обработки и хранения GNSS данных для задачи охраны периметра*
(Рецензирована)
Аннотация. Описаны принципы создания системы обработки и хранения GNSS данных для задачи охраны периметра. Предложен базовый алгоритм работы системы сбора, обработки и хранения GNSS данных, позволяющий отслеживать обработанные GNSS данные на удаленном web-сервисе в общедоступных форматах, а также отправлять сигналы через клиентское мобильное приложение доступным платформам и системам о временном приостановлении или отмене записи GNSS данных.
Ключевые слова. GNSS данные, web-сервис, микроконтроллер, постобработка, мобильная роботизированная платформа, режим реального времени.
Kostyuk Andrey Ivanovich
Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Computer Engineering, Institute of Computer Technology and Information Security, Southern Federal University, Taganrog, ph. (8634) 371656, e-mail: aikostyuk@sfedu.ru Bespalov Dmitriy Anatolyevich
Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Computer Engineering, Institute of Computer Technology and Information Security, Southern Federal University, Taganrog, ph. (8634) 371656, e-mail: dabespalov@sfedu.ru Romanov Vitaliy Vladimirovich
Master's Degree Student of the Department of Computer Engineering, Institute of Computer Technology and Information Security, Southern Federal University, Taganrog, ph. (8634) 371656, e-mail: vromanov@sfedu.ru
The principles of creating a system for processing and storage of GNSS data
for the task of perimeter protection
Abstract. The principles of creating a system for processing and storing GNSS data for the task of perimeter protection are described. The article proposes a basic algorithm for the operation of a GNSS data collection, processing and storage system that allows you to track processed GNSS data on a remote web service in public formats, as well as to send signals through a client mobile application to available platforms and systems about temporary suspending or canceling GNSS data recording.
Keywords: GNSS data, web service, microcontrol unit, post-processing, mobile robotic platform, real-time operation mode.
Введение. Для целей охраны периметра производственного объекта большой территориальной протяженности с учетом вероятного наличия угроз несанкционированного физического проникновения, на территории которого находятся стационарные или подвижные объекты, требуется использование необитаемых интеллектуальных взаимодействующих мобильных роботизированных платформ.
Для обеспечения охраны протяженного периметра необходимо решить ряд задач, в том числе:
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-07-00559).
• создание базы данных системы охраны периметра (БД СОП) для хранения и актуализации информации об объектах системы охраны и угрозах со стороны потенциальных нарушителей (ПНР);
• разработка подсистемы моделирования системы охраны периметра (ПМ СОП) для планирования совместного действия объектов охраняемой территории;
• разработка средств информационного обмена между БД и ПМ СОП;
• интеграция СЦОД в одну из современных геоинформационных систем (ГИС).
В опубликованных ранее работах [1-10] описана структура и назначение БД СОП, а также предложено использование графовых подходов для реализации подсистемы моделирования. Целью исследования в данной статье является изучение принципов создания системы сбора, обработки и хранения ОКББ данных для задач охраны периметра мобильных или иных роботизированных платформ и систем в реальном времени.
Назначением системы сбора, обработки и хранения ОКББ данных (ССОХД) является сбор ОКББ данных с помощью штатного микроконтроллера по беспроводной сети с мобильных или иных роботизированных платформ и систем для дальнейшей отправки и постобработки данных на удаленный web-сервис через Интернет-соединение. Что также включает в себя управление базой данных [1] с web-клиентской программной частью или web-интерфейсом серверной части посредством Интернет-технологий.
Описание наблюдаемого объекта. Рассматриваемый объект наблюдения - охраняемая территория с мобильными и иными роботизированными платформами и системами, блок элементов охраняемой территории, блок управления и распределения ОКББ данных с мобильных или иных роботизированных платформ и систем, а также web-сервис обработки ОКББ данных и мобильное или иное устройство с поддержкой web-технологий.
В состав объекта входят:
- охраняемая территория с мобильными и иными роботизированными платформами и системами [2];
- блок элементов охраняемой территории;
- блок управления и распределения ОКББ данных с мобильных или иных роботизированных платформ и систем;
- web-сервис обработки ОКББ данных;
- мобильное или иное устройство с поддержкой web-технологий.
Каждая мобильная или иная роботизированная платформа и система состоит из:
- ОКББ приемника;
- трансивера.
Блок элементов охраняемой территории включает в себя: цех с роботизированным производством, автомобили, вертолет, дроны, патрульные роботизированные платформы и прочие системы охраны с встроенным или легко монтированным ОКББ оборудованием.
Блок управления и распределения ОКББ данных с мобильных или иных роботизированных платформ и систем включает в себя: управляющий микроконтроллер, приемопередающее устройство (трансивер) для передачи управляющих сигналов на блок элементов охраняемой территории, приема ОКББ данных с блока элементов охраняемой территории, а также для отправки полученных ОКББ данных на виртуальный или выделенный web-сервис.
Web-сервис включает в себя: виртуальный или выделенный web-сервер, базу данных ОКББ данных, а также обработчик ОКББ данных. На каждую мобильную или иную роботизированную платформу или систему установлен ОКББ приемник для записи ОКБ Б данных. Связь и обмен данными элементов охраняемой территории с управляющим микроконтроллером осуществляется как по беспроводной, так и по проводной связи. Сырые ОКББ данные, поступающие со всех элементов охраняемой территории, распределяются в управляющем микроконтроллере на группы и отправляются на web-сервис через Интернет-соединение и вносятся в базу данных. На устройство пользователя устанавливается клиентское приложение, через которое производится контроль и управление ССОХД. Web-сервис обработки ОКББ данных выполняет следующие функции: прием ОКББ данных с элементов охраняемой
территории через управляющий микроконтроллер, внесение полученных данных в SQL базу данных, а также отправку управляющих сигналов для остановки или включения записи отдельных типов элементов охраняемой территории.
Пользователю доступен web-интерфейс, а именно: база данных и обработанных GNSS данных, отображение объектов на карте в реальном времени с помощью вспомогательного программного обеспечения, редактирование данных. Под редактированием данных в данном случае подразумевается загрузка и удаление GNSS и обработанных данных по выбранному типу элемента. Кроме этого, пользователю будет доступен блок управления главным микроконтроллером, а именно: включение и выключение записи GNSS данных по выбранным элементам.
Каждая мобильная или иная роботизированная платформа и система выполняет следующие функции: передачу GNSS данных к управляющему микроконтроллеру по беспроводной или проводной сети.
Структура информационного объекта. Информационный объект ССОХД содержит:
- управляющие сигналы для каждой мобильной или иной роботизированной платформы и системы на управление потоками GNSS данных;
- управляющие сигналы для блока элементов охраняемой территории на управление сигналов для остановки или включения записи GNSS данных;
- управляющие сигналы для блока управления и распределения GNSS данных с мобильных или иных роботизированных платформ и систем на управление приема GNSS данных;
- управляющие сигналы для блока управления и распределения GNSS данных с мобильных или иных роботизированных платформ и систем на управление потоком GNSS данных с элементов охраняемой территории;
- управляющие сигналы для блока управления и распределения GNSS данных с мобильных или иных роботизированных платформ и систем на управление отправкой GNSS данных;
- управляющие сигналы для web-сервиса на управление обработкой GNSS данных;
- управляющие сигналы для web-сервиса на управление SQL базой данных;
- управляющие сигналы для мобильного или иного устройства с поддержкой web-технологий на управление web-сервисом через Интернет-связь посредством браузеров;
- управляющие сигналы для мобильного или иного устройства с поддержкой web-технологий на управление web-сервисом через клиентское приложение.
Целевая функция системы. Целевая функция системы сбора, обработки и хранения GNSS данных для задач охраны периметра - сбор GNSS данных с элементов охраняемой территории, управление потоками GNSS данных и распределение по типам элементов охраняемой территории, отправка GNSS данных на облачный web-сервис для постобработки и занесения данных в SQL базу данных. Управление потоками GNSS данных производится по беспроводной или проводной сети с мобильного или иного устройства, поддерживающего web-технологию или клиентское приложение. Под управлением подразумевается доступ к web-сервису, а именно: web-интерфейсу, SQL базе данных, включению/выключению записи GNSS данных на элементах охраняемой территории в режиме реального времени.
Функции, выполняемые ССОХД:
- считывание GNSS данных с GNSS оборудования;
- считывание электрического сигнала, а именно включения/выключения записи GNSS данных, подаваемого пользователем с мобильного или иного устройства, поддерживающего web-технологии, или клиентского приложения;
- формирование пакетов GNSS данных;
- обмен пакетов GNSS данных элементов охраняемой территории по беспроводной или проводной связи с управляющим микроконтроллером;
- обмен данных управляющего микроконтроллера с web-сервисом по беспроводной или проводной связи;
- обработка GNSS данных web-сервисом;
- постобработка потоков GNSS данных в общепринятый навигационный формат;
- управление потоками (загрузка/удаление) GNSS данных с элементов охраняемой территории через web-сервис или клиентское приложение по беспроводной или проводной связи;
- визуализация постобработанных GNSS данных на карте.
На каждом элементе охраняемой территории установленное GNSS оборудование считывает сырые GNSS данные и осуществляет передачу через трансивер на управляющий микроконтроллер. Управляющий микроконтроллер группирует на типы собранные сырые GNSS данные и транслирует на web-сервис через Интернет-соединение, где происходит постобработка и занесение данных в SQL базу данных. На web-сервисе пользователь может управлять потоками обработанных GNSS данных, просматривать содержимое SQL базы данных, а именно постобработанных GNSS данных на карте, а также отправлять электрические сигналы на остановку или включение нужных элементов охраняемой территории путем подачи электрического сигнала на управляющий микроконтроллер. Считывание электрического сигнала осуществляется на управляющем микроконтроллере, где происходит выключение/включение нужного потока GNSS данных. По беспроводной и проводной связи происходит как прием-передача потоков GNSS данных, так и двухканальная отправка электрических сигналов для управления потоками GNSS данных.
Постобработка GNSS данных осуществляется с помощью трех способов, а именно: с помощью доступных web-сервисов постобработки данных, открытой программной реализации и исследовательской программной реализации.
Обобщенный алгоритм функционирования системы ССОХД для задачи охраны периметра. Блок-схема обобщенного алгоритма функционирования системы ССОХД может быть представлена следующим образом (рис. 1).
^ НАЧАЛО ^
О
Инициализация периферии микроконтроллера
- Подача питания на мироконтроллер
- Загрузка ПО
- Создание точки доступа
- Подключение к интернет-соединению
- Автоматическое подключение микроконтроллера к и'еЬ-сервером и элементам охраняемой территории
- Ручное подключение пользователя к беспроводному модулю микроконтроллера через web-cервис или мобильное приложение
г -
Блок элементов
охраняемой
территории
Г I5 -
Блок
управления и
распределении
GNSS данных
17 -
Web-сер верная
обработка GNSS
данных
^ КОНЕЦ ^
Рис. 1. Обобщенный алгоритм функционирования системы ССОХД
1. Инициализация системы ССОХД начинается с подачи питания на главный микроконтроллер и загрузки встроенного ПО, далее трансивер, сопряженный с микроконтроллером, создает точку доступа, а также идентифицируется в сети Интернет.
2. Подготовленная система ССОХД устанавливает связь с web-сервером и элементами охраняемой территории.
3. Система ССОХД определяет согласованность подключения с web-сервером и элементами охраняемой территории.
4. Если согласование не произошло с web-сервером и элементами охраняемой территории, то система ССОХД переходит в режим ожидания.
5. Происходят повторные согласования системой ССОХД с web-сервером и элементами охраняемой территории в течение 10 минут.
6. После 10 минут безуспешного согласования с web-сервером и элементами охраняемой территории система ССОХД завершает работу периферии и отправляет смс-оповещение пользователю.
7. Подготовленная система ССОХД, установив связь с web-сервером и элементами охраняемой территории, разрешает установку ручного соединения пользователя к беспроводному модулю микроконтроллера через web-сервис или мобильное приложение.
8. Система ССОХД определяет согласованность подключения с пользователем или его присутствие на web-сервере.
9. Если определение пользователя безуспешно, то система ССОХД переходит в режим уведомления.
10. Происходят повторные определения пользователя системой ССОХД в течение 30 минут.
11. После 30 минут безуспешного определения пользователя система ССОХД отправляет смс-оповещение пользователю.
12. Подготовленная система ССОХД, установив связь с пользователем, переходит в режим кинематики реального времени.
13. Система ССОХД определяет, поступает ли сигнал-команда управления элементами охраняемой территории.
14. Блок элементов охраняемой территории отвечает за получение ОКББ данных с элементов охраняемой территории, а также получение сигналов-команд от микроконтроллера.
15. Блок управления и распределения ОКББ данных отвечает за получение сигналов-команд от пользователя с web-сервера или мобильного приложения для управления ОКББ оборудованием на элементах охраняемой территории. Блок также распределяет полученные сырые ОКББ данные и состояния ОКББ оборудования по типам и выполняет отправку данных и состояний на web-сервис, а также состояния доступны и в мобильном приложении.
16. Система ССОХД определяет, пришла ли сигнал-команда в блок управления, при получении сигнала-команды происходит отправка блоку элементов охраняемой территории.
17. Полученные сырые ОКББ данные web-сервером проходят web-серверную обработку ОКББ данных.
Таким образом, предлагаемый принцип построения системы обработки и хранения ОКББ данных для задачи охраны периметра позволяет пользователям с мобильного или иного устройства, поддерживающего web-технологии и Интернет, отслеживать обработанные ОКББ данные на удаленном web-сервисе в общедоступных форматах, а также отправлять сигналы через клиентское мобильное приложение доступным платформам и системам о временном приостановлении или отмене записи ОКББ данных.
Примечания:
1. Костюк А.И. Структуры данных системы цифрового описания данных средств охраны и мониторинга объектов // Современные наукоемкие технологии. 2017. № 12. С. 43-48.
References:
1. Kostyuk A.I. Data structures of the system of digital description of data of funds of protection and monitoring of objects // Modern High Technologies. 2017. No. 12. P. 43-48.
2. Костюк А.И., Шаповал Н.Е. Концептуальная модель базы геоданных объектов // Информационные системы и технологии: фундаментальные и прикладные исследования: сб. ст. Второй Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов, магистрантов и студентов. Таганрог, 2017. С. 448-450.
3. Костюк А.И. Изоморфно-статистическая идентификация изображений // Современные наукоемкие технологии. 2017. № 6. С. 58-61.
4. Integration of Models of Adaptive Behavior of Ant and Bee Colony / B.K. Lebedev, O.B. Lebedev, E.M. Lebedeva, A.I. Kostyuk //Artificial Intelligence and Algorithms in Intelligent Systems. CSOC2018 / R. Silhavy (eds.). Vol. 764. Springer Cham. SCOPUS. On-line, 2018. URL:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57 196048780
5. Костюк А.И., Мунтян Е.Р., Поленов М.Ю. О подходе к модернизации программной системы поддержки управленческих решений // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 3. С. 46-54.
6. Исследование возможности внедрения виртуализации в системах управления Smart House /
A.И. Костюк, М.Ю. Поленов, Е.Р. Мунтян,
B.А. Лукьянов, А.Ю. Николава // Информатизация и связь. 2015. № 3. С. 72-77.
7. VLSI Planning Based on the Ant Colony Method / B.K. Lebedev, O.B. Lebedev, E.O. Lebedeva,
A.I. Kostyuk // Intelligent Information Technologies for Industry: рroceedings of the Second International Scientific Conference.Advances in Intelligent Systems and Computing / A. Abraham, S. Kovalev, V. Ta-rassov [et al.] (eds). Springer Cham., 2017. Vol. 679. P. 388-398. URL:
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-68321-8_40
8. Поленов М.Ю., Костюк А.И., Лукьянов В.А. Анализ существующих угроз для безопасности виртуальной среды // Информационные технологии, системный анализ и управление: сб. тр. XII Всерос. науч. конф. Т. 1. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2015. C. 76-78.
9. Мунтян Е.Р., Костюк А.И., Лиотвейзен В.В. Особенности виртуальной карты для расчета марша соединений // Инновационное развитие современной науки: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф., 14 марта 2015 г., г. Уфа: в 2 ч. Ч. 1. Уфа: Аэтерна, 2015. С. 49-52.
10. GAPS (GPS Analysis and Positioning Software). URL: http://gaps.gge.unb.ca/submitbasic.php (дата обращения: 25.05.2020).
2. Kostyuk A.I., Shapoval N.E. A conceptual model of the geodatabase of objects // Information systems and technologies: fundamental and applied research: coll. of art. of the Second Russian scient. and pract. conf. of young scientists, graduate students, master students and students. Taganrog, 2017. P. 448-450.
3. Kostyuk A.I. Isomorpho-probablistic identification of images // Modern High Technologies. 2017. No. 6. P. 58-61.
4. Integration of Models of Adaptive Behavior of Ant and Bee Colony / B.K. Lebedev, O.B. Lebedev, E.M. Lebedeva, A.I. Kostyuk //Artificial Intelligence and Algorithms in Intelligent Systems. CSOC2018 / R. Silhavy (eds.). Vol. 764. Springer Cham. SCOPUS. On-line, 2018. URL:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57 196048780
5. Kostyuk A.I., Muntyan E.R., Polenov M.Yu. On the approach to modernization of the software system for supporting management decisions // News of SFU. Technical Sciences. 2015. No. 3. P. 46-54.
6. Investigation of the possibility of implementation of virtualization in Smart House control systems /
A.I. Kostyuk, M.Yu. Polenov, E.R. Muntyan, V.A. Lukyanov, A.Yu. Nikolaeva // Informatization and Communication. 2015. No. 3. P. 72-77.
7. VLSI Planning Based on the Ant Colony Method /
B.K. Lebedev, O.B. Lebedev, E.O. Lebedeva,
A.I. Kostyuk // Intelligent Information Technologies for Industry: рroceedings of the Second International Scientific Conference.Advances in Intelligent Systems and Computing / A. Abraham, S. Kovalev, V. Ta-rassov [et al.] (eds). Springer Cham., 2017. Vol. 679. P. 388-398. URL:
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-68321-8_40
8. Polenov M.Yu., Kostyuk A.I., Lukyanov V.A. Analysis of existing threats to the security of the virtual environment // Information technologies, systems analysis and management: coll. of proceedings of the 12th Russian scient. conf. Vol. 1. Rostov-on-Don: Publishing House of SFU, 2015. P. 76-78.
9. Muntyan E.R., Kostyuk A.I., Liotveyzen V.V. Features of a virtual map for calculating the connection march // The innovative development of modern science: a collection of articles of the International scient. and pract. conference, March 14, 2015, Ufa: in 2 parts. Pt. 1. Ufa: Aeterna, 2015. P. 49-52.
10. GAPS (GPS Analysis and Positioning Software). URL: http://gaps.gge.unb.ca/submitbasic.php (access date: 25.05.2020).
