Projekt badawczy rozwojowy nr R 01 036 01

 

Węzły do inteligentnych systemów pomiarowo- sterujących



Realizatorzy projektu:
  • dr hab. inż. Wiesław Miczulski, prof. UZ - kierownik
  • dr inż. Marek Florczyk
  • dr inż. Leszek Furmankiewicz
  • dr inż. Janusz Kaczmarek
  • dr inż. Mirosław Kozioł
  • dr inż. Adam Markowski
  • dr inż. Emil Michta
  • dr inż. Robert Szulim
  • mgr inż. Dariusz Eljasz
  • mgr inż. Piotr Powrożnik

Opis wykonanych prac

Celem projektu było opracowanie nowej jakościowo platformy, zawierającej rodzinę węzłów (pomiarowo – sterujących), przeznaczonej do projektowania i budowy inteligentnych rozproszonych systemów pomiarowo – sterujących z transmisją przewodową lub bezprzewodową.

Powszechność znanych rozwiązań rozproszonych przewodowych systemów pomiarowo-sterujących spowodowała, że w zrealizowanej pracy badawczej opracowując platformę dla bezprzewodowych systemów pomiarowo-sterujących (BSPS) zaproponowano rozwiązanie umożliwiające budowanie systemu, w którym dominującym będzie nośnik bezprzewodowy, a połączenia pomiędzy wybranymi węzłami systemu będą mogły być także realizowane w sposób przewodowy. W rozwiązaniu tym przyjęto, że wszystkie węzły systemu hetero-medialnego realizują funkcje warstwy sieciowej i warstwy aplikacji standardu ZigBee, co zmniejsza złożoność układów pośredniczących do poziomu warstwy drugiej.

W ramach projektu badawczego rozwojowego zaprojektowano i wykonano moduły OEM i węzły do BSPS na bazie trzech platform:

1.      MeshNetics, w której węzły UWZA IME ZB3 zostały wykonane na bazie modułu OEM (układ ZigBit o symbolu ZDM-A1281-A2). Węzły te mogą być stosowane w sieci ZigBee jako koordynator, routery i węzły końcowe. Dla potrzeb projektu węzły zostały wyposażone w układy do pomiaru temperatury i natężenia światła, przyciski, źródła światła (diody LED).

2.      Microchip, w której zrealizowano dwa układy. Pierwszy z nich to własna konstrukcja modułu OEM IME ZB1, do realizacji której wybrano układy Microchip: IEEE 802.15.4™ 2.4 GHz RF transceiver MRF24J40 oraz 8-bitowy mikrokontroler PIC18F4620. Moduł ten stanowi podstawę do budowy koordynatora, routerów i węzłów końcowych, po uprzednim wyposażeniu jego o odpowiednie do zapotrzebowania użytkownika układy pomiarowe i sterujące. Drugi układ to własna konstrukcja węzła sieci ZigBee UWZA IME ZB2, do realizacji którego wybrano układy Microchip: IEEE 802.15.4™ 2.4 GHz RF transceiver MRF24J40 i wydajny 16-bitowy mikrokontroler PIC 24HJ256GP610. Przeznaczony jest on do realizacji zaawansowanych aplikacji. Przykładowo węzeł może pełnić funkcję koordynatora w złożonych pod względem topografii sieciach ZigBee z przetwarzaniem regułowym lub pełnić funkcję bramy, która będzie łączyła sieci przemysłowe działające w standardzie CAN i Modbus z sieciami ZigBee. Dla potrzeb projektu węzeł został wyposażony w układy do pomiaru temperatury i natężenia światła, przyciski, źródła światła (diody LED).

3.      Texas Instruments, w której wykonano moduł OEM IME ZB4 zawierający układ radiowy CC2520 spełniający wymagania standardu IEEE 802.15.4 oraz mikrokontroler rodziny MSP430, którego oprogramowanie realizuje implementację stosu ZigBee. Na potrzeby realizacji projektu zaprojektowano i wykonano układ aplikacyjny składający się z interfejsów komunikacyjnych, diod LED, przycisków oraz układów zasilających. W razie konieczności może być on przeprojektowany w celu dostosowania do konkretnej aplikacji.

W celu szybkiego i sprawnego przygotowania sieci ZigBee do przesyłania danych opracowano aplikację ZB Config, która umożliwia przypisanie logicznych połączeń między węzłami sieci (bindowanie) i odczytywanie aktualnej konfiguracji sieci Możliwość uzyskania informacji o wzajemnym połączeniu urządzeń, na co w sieciach dokonujących samokonfiguracji mamy niewielki wpływ, jest cenną zaletą aplikacji ZB Config.

Zbudowany, na bazie opracowanych węzłów, system pomiarowo-sterujący ma możliwość realizacji zadań monitorowania, a także definiowania i realizowania przetwarzania rozproszonego typu regułowego. Przetwarzanie rozproszone typu regułowego pozwala na autonomiczną realizację aplikacji rozproszonych przez węzły systemu. Oznacza to, że w systemie mogą być przesyłane informacje, a nie jedynie czyste dane. Do realizacji przetwarzania rozproszonego typu regułowego opracowano program „Edytor konfiguracji reguł” umożliwiający edycję oraz ich dystrybucję.

Opracowane w ramach pracy badawczej węzły do bezprzewodowych rozproszonych inteligentnych systemów pomiarowo-sterujących umożliwiają podłączenie ich do przewodowych sieci przemysłowych, ale wymaga to zastosowania bramy. Spośród opracowanych w ramach projektu węzłów do realizacji funkcji bramy może zostać wykorzystany węzeł UWZA IME ZB2. Funkcje bramy mogą również realizować np. dedykowanyne serwery WWW, które są obecnie komercyjnie dostępne na rynku krajowym i zagranicznym w szerokiej gamie wykonań.

Z funkcjonowaniem rozproszonego przewodowego i bezprzewodowego systemu pomiarowo-sterującego związane jest powstawanie opóźnień w transmisji danych od miejsca ich pozyskiwania do miejsca ich wykorzystania w systemie. Znajomość tych opóźnień i konsekwencji z nich wynikających, czyli utrata danych, jest bardzo ważnym zagadnieniem w fazie projektowania tych systemów. Na potrzeby oceny właściwości komunikacyjnych projektowanych rozproszonych przewodowych i bezprzewodowych systemów pomiarowo-sterujących, zwłaszcza tych, w których występują ograniczenia czasowe, opracowano symulatory dla tych systemów pozwalające na weryfikację ograniczeń stawianych zadaniom systemu.

Więcej informacji

 

UWZA IME ZB3

 

Schemat blokowy węzła UWZA IME ZB3

 

      

Widok wykonanego węzła UWZA IME ZB3 od strony elementów i druku

OEM IME ZB1

 

Schemat blokowy modułu OEM IME ZB1

 

Zdjęcie modułu OEM IME ZB1 z przykładową płytką aplikacyjna (widok z góry)

UWZA IME ZB2

Schemat blokowy węzła UWZA IME ZB2

 

Zdjęcie węzła UWZA IME ZB2 (widok z góry)

OEM IME ZB4

Schemat blokowy modułu OEM IME ZB4

Schemat blokowy przykładowej płytki aplikacyjnej dla modułu OEM IME ZB4

Widok modułu OEM IME ZB4 po zamontowaniu na przykładowej płytce aplikacyjnej

ZB Config

Okno informacyjne aplikacji ZB Config

 

Widok głównego panelu aplikacji ZB Config

 

Fragment panelu głównego aplikacji ZB Config prezentujący przykładowe bindowania

 

Edytor konfiguracji reguł

 

Okno informacyjne programu „Edytor konfiguracji systemu”

 

Okno główne programu „Edytor konfiguracji systemu”

Szczegółowe informacje o konfiguracji

 

      Okno do definiowania zmiennej                               Okno do definiowanie reguły

 

Wysyłanie konfiguracji do koordynatora i odczyt wartości zmiennych globalnych z koordynatora

  

Symulatory

 

Okno informacyjne symulatora systemów pomiarowo-sterujących z komunikacją przewodową

 

Panel programu wraz z zakładką Węzły/Zadania

  

Panel programu wraz z zakładką Zestawienie Zadań W1-W8

 

 

Panel programu wraz z zakładką Powiązania komunikacyjne

 

 

Panel programu wraz z zakładką Symulacja

 

Panel programu wraz z zakładką Wynik Symulacji

Panel Modułu - współczynniki

 

Panel Modułu – histogramy

 

Panel modułu programowego Symulator przetwarzania regułowego dla bezprzewodowych systemów pomiarowo-sterujących