CC BY
71
УДК 528.2:528.4
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ ARDUINO
Татьяна Юрьевна Бугакова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, зав. кафедрой прикладной информатики и информационных систем, тел. (913)987-01-42, e-mail: bugakova-tu@yandex.ru
Андрей Сергеевич Волкодав
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры картографии и геоинформационных систем, тел. 8(983)133-20-36, e-mail: volkodav.andrey@gmail.com
В работе предлагается модель программно-аппаратного комплекса определения пространственно-временного состояния объекта на базе Arduino для дальнейшего применения в системах мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков.
Ключевые слова: система мониторинга, Arduino, системы датчиков, пространственно-временное состояние.
DEVELOPMENT MODEL SOFTWARE AND HARDWARE SYSTEMS MONITORING SYSTEM BASED ON MAN-MADE OBJECTS ARDUINO
Tatyana Yu. Bugakova
Sibirian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor, Department of Applied Computer Science and Information Systems, tel. (913)987-01-42, e-mail: bugakova-tu@yandex.ru
Andrey S. Volkodav
Sibirian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a graduate student of the Department of Cartography and Geographic Information Systems, tel. (983)133-20-36, e-mail: volkodav.andrey@gmail.com
The paper proposes a model of hardware and software complex to determine space-time state of the object based on Arduino for further use in monitoring systems based on fiber optic sensors.
Key words: monitoring system, the Arduino, a system of sensors, spatial-temporal condition.
Последние два столетия характеризовались высоким ростом развития индустриального общества. Развитие технологий и рост промышленности способствовал созданию новых техногенных объектов (ТО) и систем. Сложность ТО (инженерных сооружений, мостов, тоннелей, ГЭС, АЭС и т. д.) предопределяет необходимость постоянного контроля их состояния. Для этого существует множество аппаратно-программных решений, в том числе, автоматизированные системы мо-
ниторинга (АСМ), позволяющие выполнять непрерывный контроль состояний объектов.[1,4-7]
Современные программно-аппаратные решения представляют собой конечный продукт, который создается под конкретного пользователя с учетом его специфики. Недостатком существующих АСМ является использование приемников для однородных данных, например, при использовании датчиков температуры и вибрации необходимо использовать два отдельных приемника. Исходя из вышеизложенного, нами была сделана попытка разработки модели системы мониторинга, исключающего этот недостаток.
Первоначальным этапом проектирования системы является выбор платформы для разработки. Изучив современные аппаратно-программные средства разработки автоматики, была выбрана платформа Arduino. Преимуществами данной платформы являются удобство и простота языка программирования, а так же открытость архитектуры и программного кода.
Следующим этапом является построение общей схемы функционирования системы, которая представляет собой комплекс аппаратных средств (множество датчиков, подключаемых к приемнику, внедренных в тело ТО для контроля различных параметров, приемник, передатчик) и блок аналитики. Результатом обработки данных является принятие решений, а также уведомление оператора о наличии или отсутствии критичных изменений в состоянии техногенного объекта. Отличительной особенностью разрабатываемой модели системы является использование одного передатчика для всех типов датчиков наблюдаемого объекта, что позволит выявлять корреляционную зависимость измеряемых параметров.
Использование аналитического блока в системе позволит рассчитывать и принимать решения с минимальным участием человека, что практически исключает человеческий фактор.
Визуализацию процессов мониторинга предполагается осуществлять с использованием современных средств на основе WebGL, что позволит снизить системные требования для аппаратной составляющей конечного пользователя, а также использовать удобный кроссплатформенный веб-интерфейс.
Задачей аппаратной части модели является определение показателей c записью их в базу данных. В случае выявления критических отметок показателей оператор получает уведомление.
Для создания успешно действующей модели АСМ предлагается использование виртуальной оболочки Autodesk Circuit, которая позволяет полностью моделировать программно-аппаратную среду Arduino. Основными компонентами модели, для примера, выбраны плата Arduino Leonardo ETH PoE, и высокоточный датчик температуры и давления BMP085.
Для подключения датчика BMP085 необходима соответствующая библиотека BMP085 и скетч. Скетч представляет собой программный код, набор библиотек,
включающий в себя некоторые функции и объекты, который при компиляции создает временный .cpp файл.[2]
Используя существующие скетчи, настраивается получение данных о температуре и давлении. Однако, перед загрузкой скетча в плату, редактируется код для отображения среднего значения температуры, а так же для более информативного и удобного вида выходных данных. Для этого строчки кода: Serial.print(,Temp(C):"); Serial.print(Temperature); Serial.prmt(" Alt(cm):"); Serial.print(Altitude); Serial.prmt(" Pressure(Pa):"); Serial.println(Pressure);
заменяются на:
Serial.prmt(,Temp(C):"); Serial.print(Temperature*0.1,1); Serial.print(" Alt(m):"); Serial.print(Altitude*0.01); Serial.print(" Pressure(mm):");
Serial.println(Pressure/133.3,1);
В результате получается удобный вариант отображения, представленный на рис. 1.
Рис. 1. Отображение показателей температуры, получаемых с датчиков
Следующим этапом является передача получаемой информации в базу данных и визуальное отображение этой информации. Проанализировав интернет-источники, было найдено решение о способе накопления информации и вариантах ее отображения - разработка Web-сервера с использованием PHP и MySQL. Алгоритм действия следующий: плата Arduino c датчиком является web-клиентом и отправляет POST запрос с данными на web-сервер, который в свою очередь обрабатывает значения, используя PHP. [3] В данном случае предложен вариант получения данных через динамические IP-адреса, использование датчика низкой точности, а также визуализация изменения измеряемых показателей. Это решение можно усовершенствовать, используя скетчи для датчика BMP085 и CMS для Web-интерфейса. Для этого необходимо создать на основе PHP web-приложение Arduino-клиента c функцией отправки на Web-сервер и приложение обработки POST запросов с использованием PHP и MYSQL.
Для хранения значений, которые поступают от цифрового датчика температуры и Arduino используется база данных. В базе хранятся значения времени и соответствующие значения температуры и давления. CREATE TABLE tempLog (
timeStamp TIMESTAMP NOT NULL PRIMARY KEY, temperature int(11) NOT NULL,
pressure int(11) NOT NULL, );
Результатом работы является графическое представление динамики изменения температуры (рис. 2) и уведомление оператора о превышении критической отметки.
Т' ° С Изменения дневной температуры
45 40 35 30 25 Z0 15 10 5 Ü
D 2 4 6 В 10 12 14 t Ч
Рис. 2. Отображение изменения дневной температуры
Для определения корреляции двух параметров произведен опыт зависимости температуры кипения воды при повышении давления. Согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса с ростом давления температура кипения увеличивается, а с уменьшением давления температура кипения соответственно уменьшается. Значения контрольных данных представлены в таблице. Результаты испытаний представлены на рис. 3.
Таблица
Зависимость температуры от давления
Давление Температура кипения^
кПа. атм.
0,981 0,01 6,698
1,961 0,02 17,2
3,923 0,05 28,64
9,807 0,1 45,45
19,61 0,2 59,67
29,42 0,3 68,68
39,23 0,4 75,42
49,03 0,5 80,86
58,84 0,6 85,45
68,65 0,7 89,45
78,45 0,8 92,99
88,26 0,9 96,18
98,07 1 99,09
101,3 1,033 100
147,1 1,5 110,79
196,1 2 119,62
110 100 го
и
\ 60 ■м
40 20 О
0,3 0,4 0,5 0,5 0,7 О, В 0,9 1 1,033 РГ атм.
Рис. 3. График корреляции температуры кипения воды от давления
Графи к зависимости температуры кипения воды от давления
Диапазон измерения датчика BMP085 равняется от 0,3 до 1,2 атмосферы. Относительная точность измерения 1% от показаний.
Пример приведен для демонстрации технологии определения корреляции двух параметров с использованием одного передатчика. Предполагается, что передатчики моделируемой АСМ могут работать с несколькими параметрами, необходимыми для определения состояния ТО.
Предлагаемая в работе модель АСМ может быть применена для непрерывного сбора, анализа, обработки и распространения пространственно-временной геоинформации, контроля состояний техногенных объектов, что в значительной мере повысит оперативность принятия решения в случае аварийных или чрезвычайных ситуаций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мосягин А.А. Мониторинг потенциально опасных объектов на основе логико-вероятностного моделирования Электронный ресурс: Режим доступа URL: http://www.dissercat.com/content/monitoring-potentsialno-opasnykh-obektov-na-osnove-logiko-veroyatnostnogo-modelirovaniya
2. Веб-сервис для хостинга IT-проектов и их совместной разработки. Электронный ресурс: Режим доступа URL: http://arduino-diy.com/arduino-php-msql-dht11.
3. Информационный ресурс с лучшими инструкциями и туториалами по использованию контроллеров Arduino.. Электронный ресурс: Режим доступа URL: http://arduino-diy.com/arduino-php-msql-dht11.
4. Бугакова Т.Ю. К вопросу оценки риска геотехнических систем по геодезическим данным // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 1929 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 151-157.
5. Бугакова Т.Ю., Вовк И.Г. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства». - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2012. - Т.2. - С.100-105.
6. Вовк И.Г., Бугакова Т.Ю. Теория определения техногенного геодинамического риска пространственно-временного состояния технических систем // ГЕО-Сибирь-2010. VI Между-нар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010. Т. 1, ч. 2. - С. 21-24.
7. Бугакова Т.Ю. Оценка устойчивости состояний объектов по геодезическим данным методом фазового пространства. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Сибирская государственная геодезическая академия. Новосибирск, 2005. - 24 с.
© Т. Ю. Бугакова, А. С. Волкодав, 2016
