Rozproszony system zbierania danych

Charakterystyka bezprzewodowego systemu zbierania danych

Rozproszony system zbierania danych ZigBee USB2.0 SPI

Rozproszony system zbierania danych jest bezprzewodowym system pomiarowym. W skład systemu wchodzą trzy urządzenia, które komunikują się z sobą za pomocą sieci bezprzewodowej w paśmie 2,4[GHz]. Sieć bezprzewodowa jest w pełni kompatybilna z standardem IEEE 802.15.4 oraz standardem ZigBee. Jeden z modułów pracuje jako koordynator PAN (PAN - Personal Area Network). Pozostałe dwa moduły pracują jako końcowe urządzenia ZigBee. Koordynator PAN jest odpowiedzialny za tworzenie i diagnostykę sieci bezprzewodowej. Koordynator PAN posiada także dodatkową funkcję jaką jest komunikacja z aplikacją PC poprzez USB w klasie HID. Urządzenia końcowe ZigBee są wyposażone w dwa wejścia analogowe, dwa wejścia cyfrowe oraz cztery wyjścia cyfrowe. Aplikacja PC jest interfejsem użytkownika. Aplikacja PC jest odpowiedzialna za: wyświetlanie pomiarów z urządzeń ZigBee, wyświetlanie statusu urządzeń sieciowych, sterowanie wyjściami cyfrowymi urządzeń ZigBee. Cała aplikacja PC napisana jest w języku C#, jej dodatkową funkcją jest możliwość zapisywania online pomiarów z urządzeń łączących się radiowo do pliku „.csv”.

Aplikacja operatorstko-diagnostyczna na komputer PC

Aplikacja operatorska rozproszonego systemu ZigBee zbierania danych

Aplikacja operatorska wizualizuje dane pomiarowe odebrane od modułów oddalonych. Każde zdalne bezprzewodowe urządzenie pomiarowe wysyła do koordynatora sieci dane pomiarowe z dwóch wejść analogowych, dwóch wejść binarnych oraz status. Dane z pomiarów analogowych są przedstawione w postaci bargrafów. Dodatkowo wizualizowana jest jakość połączenia radiowego oraz status komunikacji z urządzeniami ZigBee. Użytkownik ma możliwość włączenia rejestracji pomiarów w trybie on-line, w efekcie na dysku twardym komputera pod wskazaną ścieżką zostanie utworzony plik ".csv". Aplikacja podpowiada użytkownikowi nazwę pliku, przykładowo → slave1_RRRR-MM-DD_GGMMSS.csv. Z poziomu aplikacji operatorskiej możliwe jest także sterowanie czteroma wyjściami binarnymi w każdym urządzeniu ZigBee. Aplikacja sterująca napisana została w języku programowania C#. Jest ona kompatybilna z platformą .NET Framework 3.5.

Wymiana danych w rozproszonym systemie

Komunikacja w rozproszonym systemie zbierania danych

Komunikacja bezprzewodowa odbywa się w paśmie 2,4[GHz]. Wymiana informacji w systemie odbywa się w trybie połączeniowym. Odbiorca informacji zawsze musi odpowiedzieć nadawcy datagramem ACK. Sieć bezprzewodowa pracuje w topologii gwiazdy. Koordynator sieci jest urządzeniem centralnym. Pętla wymiany danych zarządzana jest przez moduł Master (PAN Coordinator). Każde z urządzeń w sieci bezprzewodowej wyposażone jest w watchdog timer, w wypadku przekroczenia tego czasu w którymkolwiek z urządzeń nastąpi jego restart. W przypadku restartu koordynatora sieci, cała sieć bezprzewodowa zostanie utworzona od zera.

Master rozproszonego systemu - koordynator sieci bezprzewodowej/urządzenie USB

Urządzenie główne w rozproszonym systemie - koordynator PAN

Master rozproszonego systemu jest najważniejszym urządzeniem w rozproszonym systemie zbierania danych. Urządzenie master rozproszonego systemu ma podwójną funkcjonalność. Urządzenie master jest:
1. Koordynatorem sieci bezprzewodowej w standardzie ZigBee
2. Urządzeniem USB pracującym w klasie HID (english → Human Interface Device)
Jak wspomniano wyżej urządzenie master pełni funkcję koordynatora PAN (english →Personal Area Network) sieci bezprzewodowej. W ramach tej funkcjonalności urządzenie to jest odpowiedzialne za utworzenie, diagnostykę i zarządzanie siecią radiową. Drugą funkcją tego urządzenia jest komunikacja z komputerem. Wymiana danych z komputerem odbywa się poprzez interfejs USB (english → Universal Serial Bus). Komputer rozpoznaje koordynatora sieci ZigBee jako urządzenie klasy HID, oznacza to że nie potrzeba żadnego dodatkowego sterownika ponieważ system operacyjny Windows od razu będzie "wiedział" w jaki sposób obsługiwać urządzenie. Od strony sprzętowej urządzenie master zbudowane jest z mikrokontrolera oraz modułu radiowego. Obsługa modułu radiowego i USB zrealizowana jest w mikrokontrolerze poprzez system przerwań. Mikrokontroler wymienia dane z modułem radiowym poprzez interfejs SPI. Komunikacja poprzez SPI odbywa się w trybie cztero-bitowym, wykorzystane są sygnały SDI, SDO, SCK, ~CS. W obszarze interfejsu SPI mikrokontroler jest urządzeniem master, a moduł radiowy urządzeniem slave. Urządzenie master zasilane jest z portu USB. Dodatkowo mikrokontroler urządzenia master jest zabezpieczony przed "błądzeniem" poprzez watchdog timer ustawiony na okres 2,048[s]. Po przekroczeniu czasu watchdog-a urządzenie jest resetowane i następuje jego inicjalizacja. Podczas procesu inicjalizacji wznawiana jest komunikacja poprzez USB oraz tworzenie sieci bezprzewodowej.

Slave-y rozproszonego systemu - urządzenia ZigBee

Urządzenia ZigBee w rozproszonym systemie

Zdaniem modułów slave jest wykonywanie pomiarów. Pojedyncze urządzenie slave składa się z mikrokontrolera i modułu radiowego. Mikrokontrolery wymieniają dane modułem bezprzewodowym poprzez interfejs SPI. Interfejs SPI (english → Serial Peripheral Interface) pracuje w trybie z zastosowaniem czterech sygnałów:
• SDI - Serial Digital Input
• SDO - Serial Digital Output
• SCK - Serial Clock
• ~CS - Chip Select
W obszarze interfejsu SPI mikrokontroler jest masterem. Każdy z modułów dokonuje pomiaru dwóch wielkości analogowych z rozdzielczością 10 bitów, przetwarzanie odbywa się metodą kompensacji wagowej. Każdy moduł posiada dwa wejścia i cztery wyjścia cyfrowe. Stan wejść binarnych jest wyświetlany na aplikacji operatorskiej uruchomionej na komputerze pc. Kontrola wyjść cyfrowych jest również możliwa poprzez aplikacje operatorską. Urządzenia zasilane są napięciem 3,3VDC. Poziom maksymalny sygnałów logicznych i analogowych jest równy napięciu zasilania. Dodatkowo mikrokontrolery urządzeń ZigBee są zabezpieczone przed "błądzeniem" poprzez watchdog timer ustawiony na okres 2,048[s].

Prototypy modułów bezprzewodowych zamknięte w obudowach

Rozproszony system zbierania danych - urządzenia zamknięte w obudowach

Moduły wchodzące w skład systemu zamknięte w obudowach.