Spis treści
Wstęp..........................................................................................................5
1. Przegląd stosowanych systemów sterowania i kontroli
na dużych odległościach......................................................................6
1.1. Systemy wykorzystujące sieć internetową do sterowania i
kontroli urządzeń........................................................................7
1.2. Systemy wykorzystujące sieć energetyczną do sterowania i
kontroli urządzeń.......................................................................15
2. Charakterystyka rozległej sieci TCP/IP pod kątem możliwości
jej wykorzystania w systemach sterowania i kontroli.....................18
2.1. Warstwowy model sieci TCP/IP..............................................19
2.2. Protokół TCP............................................................................22
2.3. Protokół UDP...........................................................................25
2.4. Protokół IP................................................................................26
2.5. Protokół ICMP.........................................................................29
3. Propozycje sposobów przyłączania nadzorowanych urządzeń
do sieci TCP/IP ...................................................................................32
3.1. Sterownik jako konwerter między siecią TCP/IP
a urządzeniem.........................................................................33
4. Projekt sterownika mikroprocesorowego umożliwiającego
zadawanie i odczyt stanów urządzeń poprzez sieć TCP/IP.............34
4.1. Wybór mikrokontrolera...........................................................35
4.2. Projekt schematu blokowego...................................................41
4.3. Blok mikrokontrolera..............................................................43
4.4. Blok pamięci............................................................................44
4.5. Blok PHY................................................................................46
4.6. Blok RTC i adresu MAC........................................................49
4.7. Blok zasilania..........................................................................50
4.8. Blok interfejsu.........................................................................51
4.9. Przystawka do odczytu temperatury oraz
włączania diody LED..............................................................53
4.10. Wykaz elementów..................................................................54
5. Wykonanie i uruchomienie zaprojektowanego sterownika.............56
5.1. Projekt płytki drukowanej.........................................................57
5.2. Wykonanie sterownika..............................................................60
5.3. Zainstalowanie środowiska wykonawczego do sterowania.....62
5.4. Uruchomienie przykładowych aplikacji...................................65
6. Przeprowadzeni badań wykonanego sterownika w warunkach
przyłączenia go do wybranych sieci TCP/IP....................................68
6.1. Analiza przepływu danych sterownika podłączonego
do sieci LAN przy wykorzystaniu programu IRIS..................69
Podsumowanie.....................................................................................71
Literatura.............................................................................................72
Załączniki:
Płyta CD
Wstęp
Etap mikroprocesorowej rewolucji, która dokonała się w minionym 20-leciu w obszarze urządzeń powszechnego użytku, na trwałe skomputeryzował sprzęt gospodarstwa domowego, sprzęt audio-video czy też branżę motoryzacyjną. Obsługa tych urządzeń wcale nie musi się odbywać bezpośrednio przez użytkownika, już dziś mamy wiele systemów sterujących czy też kontrolujących stan tych urządzeń na odległość. Technologie do centralnego zarządzania sprzętem powszechnego użytku są rozwijane przez większość liczących się producentów podzespołów elektronicznych. Sieci internetowe, które dotąd były wykorzystywane przeważnie do świadczenia usług WWW (World Wide Web), mogą być wykorzystywane teraz do sterowania i kontroli innych urządzeń. Wiele urządzeń domowego użytku w przyszłości może być wyposażone w charakterystyczne gniazdo RJ – 45, np. piekarnik, który może otrzymywać przepisy kulinarne z internetowej bazy, telewizor kontrolowany zdalnie przez komputer PC lub magnetowid programowany za pomocą sieciowego interfejsu.
Celem niniejszej pracy jest charakterystyka sieci TCP/IP pod względem zastosowania do sterowania i kontroli urządzeń oraz projekt sterownika umożliwiającego zadawanie i odczyt stanów urządzeń poprzez sieć TCP/IP.
1. Przegląd stosowanych systemów sterowania i kontroli na dużych odległościach
W rozdziale pierwszym pracy przedstawiono systemy wykorzystujące sieci internetowe oraz sieci energetyczne do sterowania i kontroli urządzeń.
1.1. Systemy wykorzystujące sieć internetową do
sterowania i kontroli urządzeń
Obecnie jest wiele firm produkujących systemy sterowania i kontroli urządzeń przez sieć typu Ethernet/Internet. Systemy te charakteryzują się szeroką gamą urządzeń z nimi współpracujących. Prekursorem zasługującym na uwagę była firma Dallas Semiconductor a obecnie Maxim/Dallas [1], która zaproponowała w 1998 roku miniaturowe moduły programowalne w języku Java, służące do kontroli domowych urządzeń elektrycznych. Medium komunikacyjne stanowiła w tym przypadku domowa sieć energetyczna . Jednak, proponowane od roku 1999 rozwiązania bazują na sieci Ethernet i protokołach standardu TCP/IP. Są to mikroserwery TINI oparte na 8-bitowym mikrokontrolerze z zaimplementowanym w pamięci stosem TCP/IP. Powszechny w większości krajów rozwiniętych dostęp do sieci LAN/WAN i jej globalny zasięg oferuje duże możliwości dla obszaru urządzeń powszechnego użytku współpracujących z mikroserwerami TINI ( rys. 1.1).
Rys. 1.1. Obszar zastosowań mikroserwerów TINI do sterowania i kontroli
urządzeń (na podstawie materiałów firmy Maxim/Dallas).
Wbudowane w moduł mikroserwera TINI środowisko uruchomieniowe JVM (Java Virtual Machine), w tym biblioteka java.net do obsługi warstwy gniazd protokołu TCP/IP, pozwoliły na realizację następujących protokołów warstwy aplikacyjnej: HTTP (Hypertext Transfer Protocol), DNS (Domain Name System), DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) , Telnet oraz FTP (File Transfer Protocol). Schemat blokowy modułu TINI został przedstawiony na rysunku 1.2.[2]
Rys.1.2. Schemat blokowy modułu TINI firmy Maxim/Dallas
W pamięci modułu oprócz stosu TCP/IP i JVM zaimplementowany jest też prosty system operacyjny RTOS zarządzający obsługę stosu i uruchamiania aplikacji. Aplikacje są pisane w języku java i wykonywane na mikroserwerze przez JVM po wcześniejszym skompilowaniu i odpowiednim przygotowaniu plików. Pomiędzy warstwą aplikacyjną a warstwą protokołów pośredniczy interfejs gniazd odwzorowujący zunifikowane żądania aplikacji na działania specyficzne dla implementacji protokołów transportowych (TCP, UDP). Poniżej warstwy sieci (IP) znajdują się programy komunikujące się z urządzeniami sieciowymi - kontrolerem Ethernet lub z modemem - za pośrednictwem łącza szeregowego i protokołu PPP (Point-to-Point Protocol). Urządzeniem sieciowym wbudowanym w moduł mikroserwera jest kontroler Ethernet obsługujący standard 10Base-T i 100Base-TX pozwalający na bezpośrednie podłączenie modułu do sieci LAN (Local Area Network). Mikroserver TINI charakteryzuje się szerokim zestawem interfejsów z urządzeniami zewnętrznymi. Jest on wyposażony w rozszerzony port I/O, dwa porty szeregowe, interfejs 1-Wire, magistralę CAN oraz złącze dla układów iButton [3] firmy Maxim/Dallas. Mikroserver wyposażony jest też w układ RTC (Real Time Clock) mierzący czas, który może być używany przez użytkownika w niektórych aplikacjach. Cały mikroserver występuje w postaci dwóch oddzielnych płytek tzn. modułu o oznaczeniu TINI390 zawierającego mikrokontroler, pamięć i kontroler Ethernetu oraz z płytki o symbolu E10 wyposażonej we wszystkie niezbędne interfejsy mikroserwera do komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi i pozostałe układy do jego pracy. Obie płytki łączą się za pomocą gniazda 72 Pin SIMM. Na rysunku 1.3. przedstawiony jest wygląd modułu TINI390 bazującego na mikrokontrolerze DS80C390. [3]
Rys.1.3. Widok modułu TINI390 firmy Maxim/Dallas
Na rysunku 1.4. przedstawiony jest widok kompletnego mikroserwera (płyta E10 z modułem TINI390). [3]
Rys.1.4. Widok kompletnego mikroserwera TINI firmy Maxim/Dallas
Zainstalowany w module system operacyjny RTOS umożliwia nawiązanie połączeń FTP z innymi stacjami w sieci, skonfigurowanie połączenia sieciowego lub ustawianie czasu mierzonego przez układ RTC. W zależności od aplikacji wykonywanej przez JVM mikroserwera TINI możliwe jest sterowanie lub kontrola urządzeń dołączonych do odpowiedniego interfejsu mikroserwera poprzez sieć TCP/IP. Producent udostępnia wiele przykładowych aplikacji wykorzystujących sieć TCP/IP do obsługi innych urządzeń dołączonych do modułu TINI. Interfejs graficzny użytkownika między stanem urządzeń może stanowić przeglądarka internetowa.
Innym przykładem systemów do sterowania i kontroli urządzeń na dużych odległościach mogą być konwertery RS-232 – Ethernet . Obecnie jest dużo firm produkujących takie konwertery, można spotkać również firmy krajowe produkujące te urządzenia. Jedną z takich firm jest firma ESP Sp. z o.o. produkująca konwerter RS232-ETHERNET [4], wygląd tego konwertera jest przedstawiony na rysunku 1.5.
Rys. 1.5. Konwerter RS-232 / ETHERNET firmy ESP
Konwerter RS232/ETHERNET zbudowany jest w oparciu o mikrokontroler 8-bitowy, obsługuje standard 10Base-T Ethernetu oraz umożliwia współpracę za pośrednictwem sieci Ethernet z dowolnym urządzeniem wyposażonym w łącze szeregowe RS232 (lub RS485). Urządzenie z łączem szeregowym widziane jest jako lokalne urządzenie posiadające unikalny adres. Dostęp do niego uzyskiwany jest za pośrednictwem protokołu TCP. Dzięki temu w prosty sposób można monitorować, sterować lub konfigurować urządzenia rozproszone praktycznie po całym świecie. Oczywiście jeśli nie zachodzi taka potrzeba, to można ograniczyć się do sieci lokalnej i przy jej wykorzystaniu zbierać oraz gromadzić na jednym komputerze np. dane pomiarowe z całego budynku czy kompleksu budynków. Przykład zastosowania konwertera RS-232 / ETHERNET przedstawiono na rysunku 1.6. Konwerter pozwala na jednoczesne otwarcie do czterech kanałów komunikacyjnych typu RS232 lub RS485. Ponieważ konwerter pracuje w oparciu o protokół TCP/IP musi mieć przypisany unikalny adres sieciowy w postaci xxx.xxx.xxx.xxx (np.: 10.0.0.1). Dostęp do poszczególnych portów szeregowych uzyskuje się poprzez dodanie do adresu sieciowego odpowiedniego numeru portu TCP. Kompletny adres wygląda następująco xxx.xxx.xxx.xxx:nn gdzie nn to numer portu TCP (np.: 10.0.0.1:51).
Rys. 1.6. Przykład zastosowania konwertera RS232/Ethernet
(na podstawie materiałów firmy ESP)
Przedstawiony konwerter posiada zestaw diód LED informujący między innymi: stan połączenia z siecią ethernet, transmisję danych, numer aktywnego portu szeregowego oraz napięcie zasilania. Przed rozpoczęciem pracy konwerter RS-ETH powinien zostać skonfigurowany. Parametry konwertera takie jak adres IP, prędkości kanałów szeregowych konfiguruje się za pomocą łącza serwisowego i dowolnego terminala znakowego (np. HyperTeminal, Telix lub Norton Commander Terminal). W celu sprawdzenia komunikacji urządzenia podłączonego do konwertera można uruchomić usługę Telnet na komputerze PC poprzez wpisanie w programie Telnet adresu IP konwertera wraz z przyporządkowanym dla danego numeru portu szeregowego numeru portu TCP. Zastosowanie dwóch konwerterów RS-232/Ethernet umożliwia prace w trybie wirtualnego kanału RS-232. Tryb kanału wirtualnego dla łącza szeregowego został przedstawiony na rysunku 1.7.
Rys.1.7. Tryb kanału wirtualnego dla łącza szeregowego z wykorzystaniem
dwóch konwerterów RS232/Ethernet (na podstawie materiałów firmy ESP)
Zestawienie takiego połączenia umożliwia przesyłanie danych w obu kierunkach przez sieć Ethernet/Internet. Sieć ethernet „traktowana” jest w tym wypadku jak kabel RS232 .
Następnym przykładem urządzenia sterującego poprzez sieć internetową jest miniserwer WebEmbed firmy NETICA [5]. Na rysunku 1.8. został przedstawiony wygląd miniserwera WebEmbed. Jest on samodzielnym, maksymalnie zminiaturyzowanym kompletnym serwerem sieci web (serwer HTTP i FTP), dostosowanym do pracy w warunkach przemysłowych. Jest on przeznaczony - jako gotowy "front-end" do sieci z protokołem TCP/IP - dla zarówno już istniejących jak i nowo powstających systemów elektroniki, automatyki i pomiarów, które takiego interfejsu nie posiadają. Szybka i łatwa integracja WebEmbed z systemami użytkownika zwiększa ich globalny zasięg, atrakcyjność i obszar zastosowań. Możliwości zastosowań WebEmbed są niemalże nieograniczone. Faktycznym ograniczeniem może być wymagana moc obliczeniowa procesora, pojemność krytycznych zasobów (np. pamięci systemu), czy wymagany czas reakcji systemu na zdarzenia zewnętrzne (np. jeśli musiałby on być krótszy niż 100 milisekund). Generalnie, potencjalne obszary zastosowań WebEmbed mogą dla przykładu obejmować:
· Przemysłowe systemy zdalnego sterowania i monitoringu,
· Teleserwis, telemetria,
· Systemy alarmowe,
· Inteligentne budynki,
· Systemy grzewcze i klimatyzacyjne, oczyszczalnie ścieków
· Windy,
· Telekomunikacja,
· Parkingi,
· Stacje pogodowe i monitoring środowiska,
· Automaty biletowe, z napojami, z papierosami, bankomaty, itp.
· Medycyna i laboratoria,
· Kontrola dostępu,
· Rejestracja danych,
· E-banking,
· Monitoring ruchu drogowego,
· Automatyzacja gospodarstwa domowego i wiele, wiele innych.
...
sliwak