Архитектура построения и особенности организации программно-математического обеспечения беспроводной системы передачи телеметрической информации на основе GPRS-модемов нового поколения

№ 3’2009
PDF версия
Одной из самых серьезных и актуальных задач при создании автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии и тепла является организация каналов передачи данных от различных датчиков и счетчиков до устройств сбора информации, включая диспетчерский или биллинговый центры.

Современный существенный рост цен на энерго- и теплоресурсы требует минимизации издержек при их потреблении. К примеру, для большинства промышленных предприятий доля энергоресурсов в себестоимости выпускаемой ими продукции часто составляет 15–35%. При этом многие предприятия до сих пор рассчитываются с поставщиками энергоресурсов либо на основе множества показаний отдельных приборов невысокой точности и надежности, требующих визуального съема данных и зачастую их ручной обработки, либо по суммарной мощности подключенных теплоэлектроустановок и расчетным нормам энергопотребления, что выгодно поставщикам энергоресурсов, но никак не может устроить промышленные предприятия.

С другой стороны, энергетические компании несут большие потери, связанные с элементарным воровством, то есть незаконными подключениями, «отматыванием» показаний счетчиков и т. п. Потери также происходят из-за низкой точности измерений индукционных и импульсных счетчиков (около 4–8% от общего объема потребляемой энергии), из-за временного разрыва между поставкой и оплатой (достигает 1,5–3 месяца), что приводит к потерям 45,3%; за счет воровства (потери в бытовом секторе составляют до 25%); при пиковых нагрузках энергосистемы потери составляют 5–10%. А отсутствие возможности правильно рассчитать баланс энергии по каждому дому, подъезду, квартире приводит к потерям 1–3%. Итого, по подсчетам энергетиков, суммарные потери в энергосистеме составляют 39–51% поставляемой электроэнергии. Единственным выходом из сложившейся ситуации является повсеместное внедрение различных автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии, тепла и воды.

Одной из самых серьезных и актуальных задач при создании автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии и тепла является организация каналов передачи данных от различных датчиков и счетчиков до устройств сбора информации, включая диспетчерский или биллинговый центры.

Функциональная схема беспроводной системы передачи телеметрической информации на основе GPRS-модема нового поколения показана на рис. 1.
Центром системы является сервер маршрутизации и сбора данных с установленным на нем специализированным программноматематическим обеспечением (СПМО).

функциональтаня схема беспровдной системы передачи телеметрической информации на основе GPRS-модемов нового поколения

Каналы приема/передачи различной телеметрической информации в прозрачном или пакетном режиме реализуются с помощью GPRS-модемов, устанавливаемых в местах расположения внешнего оборудования.

GPRS-модемы регистрируются в сотовой сети оператора GSM-связи, поддерживающего услугу пакетной передачи данных GPRS. С помощью этой услуги каждый модем получает доступ в Интернет.

Диспетчерский компьютер также имеет доступ в Интернет, при этом неважно, по какой технологии, — главное, чтобы у него был постоянный адрес. Специализированное программно-математическое обеспечение открывает TCP/IP-порт, устанавливает TCP/IP-соединения с GPRS-модемами и осуществляет маршрутизацию данных в системе.

Следует различать два способа организации обмена данными в системе.

В случае, когда обмен данными нужно осуществить между несколькими модемами и СПМО на диспетчерском компьютере (без связи между модемами), СПМО системы обеспечивает прозрачный канал обмена данными между модемами и прикладным программным обеспечением (ПО), установленным на том же компьютере. Поток данных в этом случае показан на рис. 1 стрелками с цифрами 1.

Прямая связь между двумя модемами в системе невозможна, поскольку при каждом выходе в Интернет модемы получают разные IP-адреса и не могут установить прямое TCP/IP-соединение друг с другом. Если в системе требуется связь между отдельными модемами, то она осуществляется с помощью маршрутизации: каждый из модемов устанавливает TCP/IP соединение с СПМО компьютера, имеющего заранее известный и постоянный IP-адрес, а уже СПМО направляет данные требуемому адресату. Поток данных в этом случае показан на рис. 1 стрелками с цифрами 2.

В обоих случаях система обеспечивает прозрачный дуплексный канал обмена данными между внешним оборудованием. Прозрачность в данном случае означает, что прикладное ПО общается напрямую с внешним оборудованием, как если бы это оборудование было подключено напрямую к последовательному порту компьютера. Другими словами, технология передачи данных полностью скрыта от прикладного ПО и внешнего оборудования. Это позволяет строить системы удаленного сбора данных на типовом проводном оборудовании без модификации самого оборудования и без изменений в прикладном ПО.

Рассмотрим более подробно элементы системы. Для каждого зарегистрированного в системе GPRS-модема СПМО при старте создает буфер входных и выходных данных, позволяющий сглаживать последствия возможных разрывов связи с модемом. Буфер накапливает и хранит данные в течение всего сеанса работы СПМО. При подключении GPRS-модема по протоколу TCP/IP создается объект «Интернет-канала», хранящий структуры и переменные, ответственные за работу с модемом через Интернет. Сразу же после подключения происходит проверка наличия накопленных данных для этого модема. Если такие данные присутствуют в буфере, они сразу же передаются в модем через объект «Интернет-канала». СПМО включает в себя драйвер модема, который представляет собой библиотеку функций и типов для управления работой с GPRS-модемом через TCP/IP-соединение и обслуживания буфера данных.

На рис. 2 представлена функциональная схема работы СПМО в режиме маршрутизации между двумя GPRS-модемами. В таком варианте приходящие с GPRS-модема № 1 данные считываются с помощью драйвера, обрабатываются и расшифровываются объектом «Интернет-канала», а затем передаются в буфер данных. При появлении в буфере новых данных они передаются в буфер GPRS-модема № 2, и, если модем подключен к TCP/IP-порту, данные кодируются и передаются в модем объектом «Интернет-канала». Аналогичным образом маршрутизируются данные от GPRS-модема № 2 к модему № 1.

функциональная схема работы СПМО в режиме маршрутизации данных между двумя GPRS-модемами

На рис. 3 представлена функциональная схема работы СПМО в режиме маршрутизации между виртуальным портом и GPRS-модемом. В данном случае приходящие от прикладного ПО через виртуальный COM-порт данные помещаются в буфер модема. Если модем подключен по TCP/IP, то данные кодируются и передаются в модем объектом «Интернет-канала». Приходящие от GPRS-модема данные считываются и расшифровываются объектом «Интернет-канала» и буферизируются. Затем из буфера они направляются в виртуальный COM-порт.

функциональная схема работы СПМО в режиме маршрутизации данных между двумя GPRS-модемами и виртуальным COM-портом

Основной единицей системы является GPRS-модем, функциональная схема которого приведена на рис. 4.

функциональная схема GPRS-модема

Основой модема является микропроцессор AT91SAM75256. Программное обеспечение модема записывается во Flash-память процессора. Процессор содержит также встроенное ОЗУ, используемое как для выполнения программы, так и для организации входного и выходного буфера данных.

Процессор имеет три независимых последовательных порта (UART), два из которых используются для подключения к модему внешнего оборудования (по интерфейсам RS-232 и RS-485), а через третий порт процессор взаимодействует с GSM/GPRS-терминалом Wavecom Q2686.

Для согласования физических уровней интерфейсов RS-232 и RS-485 используются микросхемы преобразователей уровней.

GSM/GPRS-терминал Wavecom Q2686 обеспечивает все необходимые функции для регистрации в GSM-сети оператора связи и установления TCP/IP-соединения по технологии GPRS (встроенный TCP/IP-стек).

С целью упрощения использования модема в простых системах сигнализации предусмотрены три телеметрических входа.

Для хранения конфигурации используется внешняя микросхема ПЗУ по технологии FRAM (FM24CL64), «общение» с которой осуществляется по последовательной шине I2C.

Для питания функциональных частей модема при широком диапазоне входных напряжений (+6…+32 В) используется импульсный формирователь питания на микросхемах LM22680 (формирует напряжение +3,8 В для питания GSM/GPRS-терминала) и ADP3330 (формирует напряжение +3,3 В для питания остальных блоков модема).

При взаимодействии оконечного оборудования системы с ее диспетчерским центром используется протокол взаимодействия, который является упрощенной реализацией высокоуровневой процедуры передачи данных, получившей в литературе название High-Level Data Link Control (HDLC).
Функциональная схема организации программно-математического обеспечения GPRS-модема, который является одним из головных элементов беспроводной системы передачи телеметрической информации, представлена на рис. 5.

функциональная схема организации программно-матеематического обеспечения GPRS-модема

Программно-математическое обеспечение GPRS-модема состоит из трех задач:

  • основная задача;
  • задача обслуживания GSM/GPRS-модема;
  • задача поддержания связи между модемом и сервером по протоколу «Интернет-канал», а также обработчиков, обеспечивающих логическое взаимодействие между задачами.

 

Основная задача

Ключевые функции основной задачи следующие:

  • инициализация всех задач, обработчиков и аппаратной части модема в начальное состояние;
  • чтение из энергонезависимого ОЗУ (ЭНОЗУ) профиля модема и настройка режима работы модема в соответствии со значениями профиля;
  • ожидание событий от обработчика входящих данных и, в случае наличия таковых, запуск задачи обслуживания GSM/GPRS-модема на установление связи с сервером;
  • при получении события от обработчика входящих данных на команду конфигурирования модема — вход в режим конфигурации и запуск обработчика команд конфигураций по последовательному порту;
  • прием и обработка информации с помощью обработчика команд протокола «Интернет-канал» от задачи поддержания связи между модемом и сервером;
  • при наличии данных, предназначенных для передачи оконечному оборудованию, активация обработчика исходящих данных.

 

Задача обслуживания GSM/GPRS-модема

Основные функции задачи обслуживания GSM/GPRS-модема следующие:

  • включение и конфигурация GSM-модема;
  • ожидание и поддержание регистрации GSM-модема в GSM-сети;
  • открытие GPRS-сессии и последующий анализ ее активности;
  • установление соединения с удаленным сервером по протоколу TCP/IP и последующий анализ целостности соединения;
  • передача управления задаче поддержания связи между модемом и сервером по протоколу «Интернет-канал» поверх протокола TCP/IP;
  • проверка входящих SMS, дешифрация и выдача декодированной информации основной задаче;
  • анализ событий от основной задачи на предмет необходимости передачи сообщений в формате SMS с последующим кодированием и передачей их с помощью аппаратуры GSM/GPRS-модема.

 

Задача поддержания связи между модемом и сервером

Задача поддержания связи между модемом и сервером по протоколу «Интернет-канал» открывает канал связи с сервером по протоколу «Интернет-канал» поверх протокола TCP/IP. Фазе обмена информацией с сервером предшествует процесс авторизации, во время которой происходит создание общего сессионного ключа, необходимого для шифрации/дешифрации потока данных между модемом и сервером.После процесса авторизации осуществляется обмен данными.

Основные функции задачи следующие:

  • открытие и поддержание сессии обмена данными между модемом и удаленным сервером;
  • прием данных от основной задачи и формирование пакетов в соответствии с протоколом «Интернет-канал» с последующей передачей их по GPRS-каналу;
  • прием, декодирование и дешифрация информационных пакетов из GPRS-канала с последующей передачей информации для анализа основной задачей;
  • определение отсутствия соединения с удаленным сервером как на физическом, так и на логическом уровнях;
  • закрытие соединения как самостоятельно (при потере сигнала), так и по команде от основной задачи, и передача управления задаче облуживания GSM/GPRS-модема.

Помимо трех задач программно-математическое обеспечение модема включает в себя пять основных обработчиков, которые вызываются той или иной задачей.

 

Обработчик команд протокола «Интернет-канал»

Задача данного обработчика заключается в дешифрации информации, полученной от задачи поддержания связи по протоколу «Интернет-канал», и деинкапсуляции команд конфигурации модема и команд данных, предназначенных для передачи оконечному оборудованию, подключенному к модему. Обработчик также инкапсулирует данные от конечного оборудования и ответы на команды конфигурации модема в единый пакет для дальнейшей передачи его в задачу поддержания связи по протоколу «Интернет-канал».

 

Обработчик команд конфигураций по последовательному порту

Задача данного обработчика заключается в определении состояния начала конфигурации модема по последовательному порту с дальнейшей обработкой команд конфигурации модема, аналогичных тем, которые могут поступать от удаленного сервера по протоколу «Интернет-канал».

 

Обработчики входящих/исходящих данных

Функция обработчиков входящих/исходящих данных заключается в обеспечении прозрачного канала связи между основной задачей и обработчиком последовательного интерфейса путем создания и поддержки целостности промежуточных буферов данных.

 

Обработчик последовательного интерфейса модема

Назначение данного обработчика заключается в мультиплексировании потоков данных с физических интерфейсов модема и последующей передачей их в соответствующие обработчики входящих/исходящих данных.

Таким образом, рассмотренный в рамках настоящей статьи вариант построения беспроводной системы приема/передачи телеметрической информации на основе GPRS-модемов нового поколения служит основой для реализации автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии, городских систем диспетчеризации сбора данных и управления, включая аппаратуру управления освещением городских и региональных электрических сетей, а также аппаратуру метеостанций и систем мониторинга окружающей среды.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

سكس عربي مصري مجاني sexauskunft.net سكسحر unblurred hentai nicehentai.com omega hentai chinki sex renklipornoo.net village naked dance hot x porn video hindipornsite.com heather jayne nude huge dick comics streamhentai.net hentai msngs
قصص وصور سكس wiwiuku.com مشاهدة أفلام سكس ラブホテル完全盗撮 浮気ドキュメント 禁断の関係 javshare.info とらぶるだいありー brawling go 132 hentaika.org all the way through futa www.indiansexmms pornhindivideo.com ftv hot live 福岡 風俗 図鑑 javwhores.mobi 日本で一番黒いgカップグラドルの絶倫性欲でハメ撮りsexしまくった日常を記録
x videos american fucktube24.com sex odia video 完全拘束イラマチオ 3 あべみかこ javpussy.net 300maan-316 xnxx miya khalifa indianpornsearch.com www.tamil sex videos どエロイ女のムチムチ肉感!ふにゃふにゃ星人 羽生ありさ freejavstreaming.net 生意気j○妹プリ尻挑発 telugu outdoor sex hindipornmovies.org mehreen kaur pirzada