automatizace
Odborný časopis pro automatizaci,
měření a inženýrskou informatiku
měření a inženýrskou informatiku
English
1 Požadavky senzor s bezdrátovým přenosem
Návrh senzoru měl vycházet ze sériově vyráběného inteligentního senzoru tlaku firmy BD Sensors, které používají osvědčenou a zákazníky akceptovanou technologii měření tlaku a předzpracování měřicích dat při zachování vysoké spolehlivosti čidel srovnatelné s čidly klasickými. Na provedení senzoru tlaku byly stanoveny následující požadavky:
•
senzor tlaku bylo nutné vybavit inteligentní indikátorem hodnoty měřené veličiny, tzn. zobrazovací jednotkou;•
řešení muselo být plně integrované a v souladu s požadavky na spolehlivost v širokém rozsahu provozních podmínek (teplota, vlhkost apod.);•
zařízení mělo splňovat všechny hygienické normy a požadavky na ochranu zdraví obyvatelstva s ohledem na vyzařovaný výkon;•
bylo třeba umožnit vytváření programového vybavení na nadřízené straně, tzn. straně mobilního monitorovacího zařízení, přičemž na straně koncových zařízení mají být nasazena standardní a běžně dostupná zařízení typu PDA (osobní digitální asistent), mobilní telefon, notebook, PC apod.Další specifické požadavky byly stanoveny na bezdrátový komunikační kanál:
•
použít certifikované a spolehlivé komunikační bezdrátové rozhraní, které nepodléhá v zemích cílového prodeje žádné certifikaci ani schvalování;•
využívat certifikované komunikační komponenty tak, aby bylo možné bez dodatečných nákladů využívat ochranných známek a označení;•
zajistit komunikaci na volných (nelicencovaných) frekvenčních pásmech tak, aby nebylo nutné platit poplatky za pronájem komunikačních pásem;•
použít bezdrátové komunikační rozhraní s takovým vyzářeným výkonem a komunikačním dosahem, aby byla zaručena komunikace na vzdálenost alespoň 10 až 100 m ve volném prostoru;•
využít technologie, které umožní vlastními prostředky chránit přenášená data před zneužitím a neoprávněnou manipulací;•
řešit komunikaci s ohledem na její rozšíření tak, aby bylo možné směrovat bezdrátový datový tok, tedy využívat vestavěné všesměrové antény, ale i všesměrové a směrové externí antény s vysokým ziskem v souladu s lokálními zákony a předpisy (v ČR podle Generální licence Českého telekomunikačního úřadu);•
použít standardní komunikační rozhraní, které je běžně využívané a existuje dostatečná škála mobilních volně programovatelných zařízení umožňujících bezdrátové připojení k senzoru a následně jeho nastavování, parametrování, monitorování a sběr dat.
2 Bezdrátový komunikační kanál
Bluetooth
V rámci projektu bylo prověřováno několik variant řešení bezdrátové komunikace senzoru tlaku. Bylo vyzkoušeno několik komunikačních modulů, přičemž jejich využití v mnoha případech narazilo v podstatě na nepřekonatelné bariéry. Kamenem úrazu se pro většinu variant stal požadavek na certifikaci koncového zařízení, neboť pro komunikaci bylo vyžadováno plně standardizované řešení.
Vzhledem k záměru vyvinout čidlo vhodné pro export do celé řady zahraničních zemí, bylo hledáno komunikační rozhraní, které je plně standardní v mezinárodním měřítku a které je z hlediska globálního využití bezproblémové. Navíc muselo využívat takový komunikační standard, aby bylo v ideálním případě již samo o sobě plně certifikované, nebo alespoň muselo být možné získat certifikaci za přijatelných licenčních a finančních podmínek. S ohledem na uvedené požadavky bylo nezbytné vybrat vhodné řešení z omezeného počtu „kandidátů“. Nakonec byl zvolen standard Bluetooth, který vyhovoval většině požadavků.
3 Bluetooth a jeho možnosti
Bezdrátový komunikační standard Bluetooth využívá frekvenční pásmo kategorie ISM (Industrial, Scientific, Medical), které je globálně volné k použití za předpokladu dodržení závazných podmínek pro vyzářený výkon a technické řešení vysílače a přijímače. Volné použití pásma v praxi znamená, že není nutné žádat o přidělení frekvenčního pásma ani platit jakékoliv poplatky za jeho využívání. Bluetooth pracuje ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz a zaručuje tak kompatibilitu všech zařízení Bluetooth na celém světě. Komunikace využívá techniku přeskakující rádiové frekvence (frequency hopping) k zajištění rychlého a bezpečného přenosu informací. Standard je koncipován tak, aby podporoval přenos z jednoho bodu do druhého (point-to-point) i z jednoho do více bodů (point-to-multi-point). Dosah standardního komunikačního řešení je od 10 m do 100 m. Plná specifikace protokolu je zdarma na webových stránkách www.bluetooth.org.
Technologie Bluetooth vznikla jako produkt společného úsilí firem 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia a Toshiba, které počátkem roku 1998 vytvořily konsorcium SIG (Special Interest Group) pro vývoj technologie označované jako Bluetooth. V červenci 1999 byla zveřejněna první specifikace technologie Bluetooth verze 1.0, zatímco dnes je platná verze 1.2. Bluetooth je součástí standardu IEEE 802.15 pod číslem IEEE 802.15.1 jako součást specifikace sítí PAN (Personal Area Network). Ve vývoji je specifikace Bluetooth verze 2.0, u níž jsou očekávány přenosové rychlosti 4, 8 a 12 Mb/s, podpora přenosů typu multicast (vysílání pro několik příjemců současně) a broadcast (vysílání pro všechny stanice v dosahu), schopnost udržet navázaná datová spojení i po odstranění jednotky master ze sítě, zavedení QoS (Quality of Services) a zrychlení odezev. 
4 Parametry bezdrátového komunikačního rozhraní
Pro zajištění standardní komunikace bylo do inteligentního čidla tlaku zabudováno komunikační rozhraní standardu Bluetooth, které má parametry uvedené v tab. 1. Pro komunikaci s nadřízeným systémem lze využít několika metod daných implementovanými profily, které definují komunikační schopnosti senzoru. Z hlediska programového vybavení inteligentní senzory tlaku splňují parametry uvedené v tab. 2.
5 Řešení inteligentního čidla tlaku se standardem Bluetooth
Obr. 1 Čidlo tlaku s rozhraním Bluetooth
Inteligentní senzory s rozhraním Bluetooth jsou klasifikovány jako komponenty průmyslového zařízení s vyzařováním elektromagnetického výkonu. Pro tato průmyslová zařízení je nezbytná certifikace podle předpisů a norem zaručujících, že zařízení splňuje předepsané parametry. Bezdrátová komunikační část inteligentního čidla tlaku vyhovuje normám uvedeným v tab. 3.
Po návrhu elektronického a mechanického provedení byly vyrobeny funkční vzorek a prototyp vhodný pro sériovou výrobu (obr.1).
6 Přístup mobilních zařízení k senzoru
Implementované bezdrátové komunikační rozhraní umožňuje, aby s inteligentním senzorem tlaku komunikovalo v zásadě libovolné přenosné zařízením s rozhraním Bluetooth,
které však musí být volně programovatelné, aby na něm mohly být vytvářeny uživatelské aplikace, schopné zpracovat data v protokolu HART, který je využit k přenosu informací z inteligentního senzoru a do něj. Vlastní strukturu komunikační bezdrátové sítě Bluetooth znázorňuje obrázek (obr. 2).
Obr. 2 Koncepce sítě Bluetooth
Pro vyzkoušení správné struktury sítě i celé koncepce byly použity mobilní zařízení IPAQ firmy HP, mobilní telefon Nokia, personální počítač a notebook. Pro všechna zmíněná zařízení byla realizována uživatelská aplikace, která ve všech případech beze zbytku umožnila konfigurovat, monitorovat a testovat inteligentní senzor tlaku přes implementované komunikační bezdrátové rozhraní Bluetooth.
V jedné ze zkoušek byla prověřována komunikace inteligentního senzoru tlaku s rozhraním Bluetooth s mobilním digitálním personálním asistentem PDA firmy HP typu IPAQ 5450 a mobilním telefonem Nokia 3650. Celá sestava se skládá z inteligentního čidla tlaku s bezdrátovým komunikačním kanálem Bluetooth a vlastního mobilního asistenta IPAQ nebo mobilního telefonu, na němž je nainstalována koncová uživatelská aplikace (software pro PC), která je běžně v prodeji a je využívána pro galvanické připojení s celou výrobní řadou inteligentních senzorů firmy BD Sensors. Tato koncová aplikace byla přepracována tak, aby podporovala komunikační rozhraní Bluetooth a nové hardwarové platformy (mobilní telefon a PDA), přičemž si uživatelská aplikace zachovává v maximální možné míře vizuální styl aplikace původní.
Ze softwarového hlediska se však samozřejmě jedná o aplikaci zcela novou, neboť přenositelnost standardních aplikací z prostředí MS Windows na mobilní telefon nebo PDA je v podstatě nereálná.
Obr. 3 Informace o zařízení Bluetooth
7 Komunikace senzoru se SmartPhone Nokia 3650
SmartPhone je zařízení, které kombinuje možnosti mobilního telefonu a PDA při zachování kompaktních rozměrů. Kromě většího displeje se na první pohled ničím neliší od klasického mobilního telefonu. Podstatný rozdíl je zejména ve vnitřní konstrukci a programovém vybavení. Hardware SmartPhone je ve srovnání s běžným mobilním telefonem podstatně vyzrálejší. Větší je také paměť v řádech megabytů a několikanásobně větší je i výkon procesoru (např. Nokia 3650 používá procesor s taktem 100 MHz). To umožňuje implementaci víceúlohového operačního systému, který mobilním telefonům ve standardím provedení chybí.
V současné době jsou v prodávaných přístrojích SmartPhone používány dva konkurenční operační systémy – Symbian a Smartphone 2002. Druhý jmenovaný je od firmy Microsoft a nemá zatím příliš velkou podporu ze strany výrobců mobilních zařízení, a proto se vývoj čidla orientoval na OS Symbian.
Obr. 4 Základní informace o senzoru
8 Vývoj aplikací v OS Symbian
Symbian je vyvinut pomocí objektově orientovaného jazyka C++, na němž je založeno i příslušné vývojové prostředí. Podpora pro vývojové pracovníky aplikací je velmi dobrá. Firma Nokia nabízí volně ke stažení Software Development Kit (SDK), který lze integrovat se systémem IDE Visual C++ firmy Microsoft. Firma Borland nabízí zdarma ke stažení vestavný modul (plug-in) pro svůj systém C++ Builder 6. Při vývoji aplikací lze využít veškerý komfort, který tyto nejrozšířenější vývojové nástroje nabízejí, a to včetně ladicích možností (debugger).
Nicméně C++ není jediný způsob vývoje aplikací. Všechny verze OS Symbian podporují programovací jazyk Java (nejen MIDP Java, ale i její vyšší varianty). Rovněž existují i prováděcí verze prostředí pro Visual Basic. Dokonce je zde i podpora pro paralelní zpracovaní procesů – multitasking. Přístroje SmartPhone založené na OS Symbian zaručují i snadnou přenositelnost kódu (resp. jejich částí nezávislých na hardwaru) mezi různými zařízeními s tímto operačním systémem.
Obr. 5 Monitorování aktuálních hodnot v senzoru
9 Aplikace pro komunikaci přes Bluetooth
Pro komunikaci s inteligentním senzorem tlaku s rozhraním Bluetooth byla pro Smart Phone Nokia 3650 vyvinuta aplikace, která zahrnuje plnou podporu funkcí inteligentního senzoru. Po spuštění aplikace je prvním krokem vyhledání okolních zařízení. Pro navázání komunikace se senzorem je nezbytné zvolit korespondující položku v seznamu nalezených zařízení. Po výběru se s vybraným zařízením naváže spojení a na displeji se zobrazí konkrétní informace charakterizující rozhraní Bluetooth (obr. 3):
•
jméno zařízení (Device name),•
adresa BD (BD address),•
název profilu sériového portu (SPP name).Aplikace používá pro přenos informací ze senzoru i do něj záložky HART, MON a SET. Po připojení k senzoru zpřístupní program záložku HART.
Nejdříve je nutné provést inicializaci příkazem HARTInit. Načtou a zobrazí se (obr. 4) informace o senzoru, výrobci, typu, sériovém čísle, verzi hardwaru a softwaru a jeho měřicím rozsahu.
Obr. 6 Možnosti konfigurace senzoru
Monitorování senzoru v režimu on-line umožňuje záložka MON. Pro monitorování a záznam načtených hodnot používá příkazy (obr. 5) pro vymazání paměti, načítání hodnot a jejich ukládání. Aktuální nastavení senzoru umožňuje záložka SET (obr. 6). Pro senzor lze zadat příznak (Tag) a textový popis (Descriptor). Dále je možné určit datum (Date), jednotky tlaku (Pressure unit), horní a dolní rozsah tlaku (Upper, Lower range) a konstantu tlumení (Dumping value). Položka Logging umožňuje stanovit, které hodnoty mají být zaznamenávány – buď pouze tlak (Pressure only), nebo teplotu (Tempera. Only), příp. obojí (Both).
10 Závěr
V rámci projektu Sensvision FD-K/104 financovaného Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR bylo vytvořeno konsorcium firem a vědecko-výzkumných institucí se záměrem implementovat moderních komunikační technologie do oblasti průmyslového řízení a sběru procesních dat. Na výzkumu se podílely firmy BD Sensors, s.r.o., Moravské přístroje, s. r. o., za vědecko-výzkumné instituce ústavy ÚAMT a ÚMEL Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně a Ústav přístrojové techniky Akademie věd ČR.
V průběhu řešení projektu byla navržena koncepce moderního inteligentního senzoru tlaku schopného využívat standardní bezdrátové komunikační rozhraní Bluetooth a byly realizovány jak funkční vzorky, tak finální prototypy čidel tlaku s tímto rozhraním. Softwarové a hardwarové vybavení čidel umožňuje poskytovat měřená data přímo do vzdálených zařízení, ať již stacionárních nebo mobilních, a umožňuje tak využívat všechny výhody a komfort bezdrátové komunikace. Čidla byla v plném rozsahu navržena a realizována tak, aby splnila veškeré kvalitativní a technické požadavky průmyslového sektoru na vysoce profesionální inteligentní čidla tlaku.
Jako modelové implementace byly realizovány a úspěšně demonstrovány aplikace pro zařízení personální digitální asistent PDA IPAQ 5450, SmartPhone Nokia 3650 a běžný notebook. Uvedené aplikace byly i se senzorem k vidění na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně v roce 2003 a vzbudily u odborné veřejnosti značný zájem. Čidla s rozhraním Bluetooth vyvinutá za podpory MPO ČR byla uvedena do výroby a v současné době je tento produkt synergické spolupráce několika partnerů v prodeji nejen na území ČR, ale i v zahraničí.
Prezentovaný výzkum a vývoj byl podpořen projektem Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky FD-K/104, výzkum aplikovatelnosti rozhraní Bluetooth v automatizaci byl podporován projektem Grantové agentury České republiky GAČR 102/03/1097, výzkumnými záměry Výzkum informačních a řídicích systémů (kód MSM 262200012) a Výzkum mikroelektronických systémů a technologií (kód MSM 262200022). Na výzkumu a vývoji se významnou měrou podílelo i Vysokého učení technické v Brně a jeho pracovníci, přenos výsledků výzkumu a vývoje do praxe je zajištěn firmou BD Sensors, s. r. o.