Systém pro sběr dat s vestavěným procesorem a jeho nové aplikace

Úvod

V předchozích číslech tohoto časopisu byly stručně popsány původně nesouvisející výrobky z portfolia systémů vyvinutých společností Ryston Electronics: moduly vestavěného mikropočítače a jeho základní desky připojení a jednotky decentralizovaného systému pro sběr dat, dohled, identifikaci a řízení.

Tyto systémy byly sice navrženy s konkrétním záměrem řešení určitého zákaznického problému (např. sledování teplot ve stojanech a jednotkách výpočetního střediska a lokalizace případného zaplavení), avšak byly natolik otevřené, že se po nějaké době objevily další možnosti jejich kombinace a použití v jiné oblasti. Tam se zúročily investice do systémového programového vybavení a síťové architektury původních systémů pro jejich propojení a otevřely se nečekané možnosti. Několik nových aplikací si dovolím prezentovat.

Tři zdroje a tři součásti

Základními prvky rozlehlého systému jsou síťové jednotky sběru dat (a dalších funkcí), které mají podobu desek plošných spojů cca 58 × 81 mm, vestavěných do krabiček z odolného plastu či hliníku s krytím IP40 až IP65 (pro vnitřní či venkovní prostředí). Jsou připojeny kabelem Cat. 5 (běžná strukturovaná kabeláž), po němž současně komunikují se spojovacím prvkem (switch, router), přes který jsou připojeny do lokální nebo otevřené sítě (internet) a kterým jsou též napájeny (PoE). Tyto jednotky jsou založeny na síťové variantě procesorů PIC18 a PIC32 výrobce Microchip, které mají implementovány síťové protokoly IP/IPX. Jsou to tedy obecně síťové terminály vyvinuté v několika variantách (např. s jednou až čtyřmi sběrnicemi 1-Wire pro připojení až 120 čidel teploty) a schopné dalšího vývoje dle přání uživatele.

Obr. 1 Jednotka sběru dat a RFID čtení RE-118

Jednotky mají dále až dva reléové spínače pro ovládání různých spotřebičů, volitelně připojitelné rozhraní RFID a konfigurovatelné dvoukanálové analogové rozhraní (AFE) s 24bitovým sigma-delta A/D převodníkem a kompenzačními obvody například pro připojení tenzometrických čidel. Právě tyto vstupy, původně navržené pro sledování únavového poškození stavebních konstrukcí, byly inspirací pro novou aplikaci – mobilní vážení.

Dalším stavebním kamenem je Combi – modul vestavného počítače s operačním systémem reálného času (RTOS Linux), velkou pamětí SDRAM a Flash a procesorem ARM926, běžícím na 400 MHz, a bohatou výbavou periferií, přerušovacího mechanismu a signálů populárních rozhraní, jako SPI, I2C, 1-Wire, a porty Ethernet a USB2.0 (2× Host pro periferie, 1× Function pro připojení k nadřazenému systému) a dále s programovatelným logickým obvodem FPGA Xilinx Spartan.

Obr. 2 Modul vestavného počítače Combi	Obr. 3 Sestavený inteligentní switch a vestavný počítač na jedné desce

Díky němu má modul obrovský potenciál pro implementaci či připojení rychlých komunikačních rozhraní, může realizovat řadu funkcí logických obvodů pro komunikaci, kryptografii, aritmetiku, zpracování obrazu atd. Obvod FPGA má část vývodů vyvedených na konektory a současně je propojen s procesorem ARM přes rychlou 32bitovou sběrnici, takže se tváří vůči němu jako 2portová paměť s funkcemi pro řízení přístupu.

Třetí součástí je inteligentní obvod LAN Switch z rodiny Samurai/Tantos, výrobce Lantiq (dříve Infineon, ADMTek). Existuje v několika verzích lišících se počty a typy rozhraní a též pouzdry a počty vývodů. Tento obvod je switch/router s dalšími funkcemi umožňujícími aktivní účast procesoru na filtrování a modifikaci paketů síťového provozu, takže je možno například vytvářet pravidla pro blokování nebo změny paketů procházejících přes switch a provádět statistické či jiné výpočty s těmito daty na různých úrovních síťových protokolů nebo konverze mezi protokoly. Detailní popis těchto úžasných možností je však nad rámec tohoto článku i mého chápání.

Sestavení a vestavení

Spojením těchto komponent tak vznikl inteligentní switch/router se 4–6 LAN porty s injekcí PoE (Power over Ethernet, napájení po síťovém vedení), rozšiřitelný na téměř neomezený počet portů, s vestavěným výkonným mikropočítačem schopným zpracovávat a ukládat data, s možností propojení do sítí LAN (a mobilní Ethernet), sítí GSM/GPRS (s příslušným GSM modulem), popřípadě USB pro nastavování a záznam dat na Flash disk. Ve finálním provedení byly motivy modulu vestavného počítače, inteligentního switche a napájecího subsystému sestaveny – v pravém smyslu výrazu embedded, vestaveny – na jednu desku plošného spoje velikosti 100 × 160 mm (Euroformát) s konektory na delších stranách. Vstupem napájení může být ss napětí 12–48 V, napáječ může být s izolací až 3 500 V.

Obr. 4 Blokové schéma sestaveného systému Combi + Router

Tato centrální jednotka (v pouzdru např. Bopla) budiž instalována do víceúčelového nákladního automobilu. Z jeho palubní sítě 24 V může být přímo napájena. K tomuto centru nechť jsou po LAN kabelech (v chráničkách proti mechanickému poškození) připojeny venkovní síťové jednotky s analogovým front-endem pro tenzometrické vážení v nástavbě pro svoz komunálního odpadu. Samotné tenzometry pro vážení a RFID čidla pro čtení identifikace nádob na odpad budou namontovány v závěsném zařízení pro zdvihání nádob a kontejnerů. A mobilní aplikace pro vážení, evidenci a rozúčtování svozu komunálního odpadu je na světě.

Závěr – co dál

Realita však nikdy není tak jednoduchá. Systém je nutno kalibrovat a do centrální jednotky je třeba naprogramovat aplikaci pro vážení „za letu“ – v průběhu zvedání nádoby (to je nerovnoměrně zrychlený pohyb) – a odečítat tíhu prázdné nádoby po vysypání, aby se vážením provoz nezpomaloval. Pravděpodobně bude nutno systém adaptovat pro několik typů vozidel.

Jednotlivé nádoby na odpad je nutno vybavit RFID transpondéry „čipy“ tak, aby nemohly být běžným použitím poškozeny a čtení identifikace bylo spolehlivé. Také musí být odolné proti „rušení“ například způsobenému elektroodpadem obsahujícím RFID čip, v rozporu s WEEE vyhláškou odloženým do popelnice. Vše musí být provedeno tak, aby to bylo odolné proti případným vandalům.

Pro úspěšné zavedení účtování je dále nutno vytvořit a udržovat kancelářskou aplikaci pro administraci identifikátorů a nádob a pro účtování splňující požadavky na ochranu dat a udržovat ji v paměti centrální vozidlové jednotky. Existuje záměr takovýto systém zavést a provozovat v obcích a oblastech se sdílením vozů pro svoz odpadu, a tak možná půjde o nemalé peníze. Tyto dodatečné funkce a tvorba a údržba programu odolného proti případným škodičům jsou zatím ve fázi výhledu.

Elektronická část však se zdá být navržena tak, že je možná a poměrně snadná údržba, kontrola a další rozšiřování tohoto systému. Uvidíme, jestli to bude stačit pro jeho úspěch.

Další aplikace tušíme v oblasti lékařské (RFID evidence poloh nemocničních lůžek v budově – železobetonový skelet bez GPS signálu), řízení toku kusových zásilek na dopravnících, přístupový systém, sledování únavového stavu ocelových konstrukcí (jaderné elektrárny) a podobně. Pracujeme rovněž na inovacích jednotek, např. modulu Combi s novým procesorem (Cortex-M9).