Wczytuję dane...
Sieciowy monitor obiektów do zarządzania inteligentnymi budynkami

sieciowy monitor obiektów do zarządzania inteligentnymi budynkami

prof. dr hab. inż. Zdzisław Kowalczuk, mgr inż. Jakub Wszołek – Politechnika Gdańska

Na rozwój energooszczędnego i inteligentnego budownictwa [10, 15, 16, 19] zarówno w Polsce, jak i na świecie – wpływa wiele czynników. Kluczowy problem stanowi wzrost złożoności i kosztów eksploatacji budynku, w tym kosztów mediów energetycznych. Z całą pewnością przyczynia się to do poszukiwania rozwiązań opartych na nowoczesnych technikach (zaawansowane technologie [12, 13, 14, 18] stają się dostępne dla coraz szerszego grona odbiorców) oraz uzyskiwania optymalnego stosunku kosztów życia mediów do uzyskiwanej funkcjonalności.

Inteligentny budynek to obecnie miejsce integracji wielu skomplikowanych instalacji technicznych, takich jak instalacje elektryczne, oświetleniowe, przeciwpożarowe, komputerowe, HVAC (ang. heating, ventilation, and air conditioning), kontroli dostępu i nadzoru oraz automatyki budynkowej (BAS – ang. building automation systems). Tak duża liczba różnorodnych rozwiązań wymaga zastosowania nowoczesnych technologiiintegracyjnych w celu budowy niezawodnego systemu zarządczego. W artykule zostanie przedstawiony nowatorski autonomiczny system diagnostyczny umożliwiający monitoring i zarządzanie obiektem (poprzez generowanie odpowiedniego sprzężenia zwrotnego).

SMO – Sieciowy Monitor Obiektu

Sieciowy Monitor Obiektu (SMO) to nazwa projektu realizowanego od 2009 roku w Katedrze Systemów Decyzyjnych i Robotyki Politechniki Gdańskiej. Koncepcja jego działania opiera się na aplikacji sprzętowoprogramowej wykorzystującej najnowsze technologie z pogranicza elektroniki,

telekomunikacji, informatyki i automatyki w celu realizacji zadań, jakimi są monitoring, diagnostyka i zarządzanie obiektami przemysłowymi. SMO jest systemem integrującym

urządzenia pomiarowe z centralną częścią programową służącą do obróbki danych, tj. do analizy

i wnioskowania, a w ostateczności wytwarzania sprzężenia zwrotnego w postaci sygnału sterującego układami wykonawczymi obiektu. Sygnał taki pozwala na zniwelowanie defektu, jaki pojawić się może w pracy monitorowanego obiektu, bądź też na implementację innej technicznej

reakcji na zaobserwowaną anomalię. Aktualnie system SMO ma możliwość

bezprzewodowej komunikacji z urządzeniami pomiarowymi, podejmowania decyzji na podstawie programowego środowiska wnioskującego oraz delegowania odpowiednich zdań do końcowych urządzeń wykonawczych [9].

warstwa sprzętowa

Jądro sprzętowej części stanowi dedykowany moduł sterujący pracą urządzeń bezprzewodowych oparty na 32 bitowym mikrokontrolerze ARM (ang. Advanced RISC Machine to 32 bitowa architektura procesorów RISC) [2]. Jest on kontrolowany przez specjalnie zbudowany do tego zadania system operacyjny posadowiony na darmowym systemie Linux. Został on zoptymalizowany do zadań SMO oraz wyposażony w odpowiednie narzędzia programowe wspomagające bezawaryjną pracę aplikacji. Wszystkie informacje diagnostyczne wizualizowane są za pośrednictwem strony internetowej generowanej dynamicznie przez skrypty CGI (ang. Common Gateway Interface, tj. znormalizowany interfejs, umożliwiający komunikację pomiędzy oprogramowaniem serwera WWW a innymi programami, bądź też skryptami znajdującymi się na serwerze). Moduł koordynujący łączy się z wykorzystaniem magistrali USB z układem odbierającym informacje z sieci bezprzewodowej. Transmisja bezprzewodowa zrealizowana jest w odpornym na zakłócenia standardzie przemysłowym ZigBee [1]. W skład części sprzętowej, wedle założeń projektowych wchodzą również dedykowane moduły pomiarowe. Pomiędzy lokalnymi modułami do transmisji bezprzewodowej a układami pomiarowymi zaimplementowano mechanizmy szybkiej i odpornej na zakłócenia wymiany danych na podstawie interfejsu I2C (szeregowa, dwukierunkowa magistrala służąca do przesyłania danych w urządzeniach elektronicznych).Metodę przesyłania informacji oraz mechanizmy służące do realizacji transmisji przedstawiono na rysunku 1. Aplikacja umożliwia kontrolowanie parametrów fizycznych procesów

obiektowych (np. produkcyjnych). System wyposażony jest w układy wykonawcze, które pozwalają na kontrolę pracy urządzeń zewnętrznych.

Bloki transmisji bezprzewodowej powstały na podstawie mikrokontrolerów ATmega (8-bitowy mikrokontroler o niskim poborze mocy), wykorzystywanych do budowy autonomicznych

systemów mikroelektronicznych. Kontrolę nad układami pełni darmowy mikrosystem operacyjny

TinyOS (system operacyjny urządzeń przenośnych, http://www.tinyos.net, udostępnia on zastosowanie substytutu pracy wielozdaniowej opartej na mechanizmach obsługi przerwań. Moduł

sprzętowy pozwala na swobodne przekazywanie informacji pomiędzy poszczególnymi blokami bezprzewodowymi oraz kontrolę układów wykonawczych i parametrów diagnostycznych. Schemat funkcjonowania części sprzętowej SMO (Sieciowy Monitor Obiektu) przedstawia rysunek 2.

aplikacja programowa

Ważnym uzupełnieniem omawianej aplikacji jest odpowiednio zaprojektowane oprogramowanie zarządzające. Celem był odpowiednio dopasowany system, pozwalający w prosty sposób konfigurować warstwę sprzętową SMO. Największym wyzwaniem okazał się projekt narzędzia do zdalnego zarządzania modułem głównym opartym na mikrokontrolerze ARM. Aplikacja zgodnie z założeniami miała wykorzystywać przeglądarkę internetową, a to wymagało opracowania

mikroserwera z wbudowanym modułem dynamicznego generowania stron internetowych [8]. Dzięki takiemu rozwiązaniu użytkownik ma możliwość zalogowania się do systemu z wykorzystaniem sieci Internet z dowolnego miejsca. Możliwości konfiguracyjne są praktycznie nieograniczone. Przewidziano również mechanizmy wizualizacji każdej mierzonej wielkości. System posiada także dodatkowo wbudowane mechanizmy służące do informowania administratora aplikacji o błędach występujących w trakcie działania platformy SMO.

Dane z czujników pomiarowych przesyłane są z wykorzystaniem technologii bezprzewodowej bezpośrednio do modułu głównego, gdzie podlegają procesowi parsowania, czyli odczytywania

danych tekstowych i przetwarzania ich na kod lub rozkazy zrozumiałe dla programu komputerowego. Schemat wędrówki danych przedstawiony jest na rysunku 1. Widać tam, że w dalszej kolejności informacje są przetwarzane przez moduł wnioskowania rozmytego, aby ostatecznie trafić do bazy danych SQLite (otwarty system bazodanowy, http://www.sqlite.org) zainstalowanej w systemie wbudowanym oraz służącej do przechowywania informacji diagnostycznych i pomiarowych. Takie rozwiązanie uzasadnione jest funkcjonalnością modułu, która pozwala aplikacji samoczynnie reagować w zdefiniowanych przez użytkownika sytuacjach.

Przesyłanie danych odbywa się z zgodnie ze standardem ODBC (ang. Open DataBase Connectivity, tj. otwarte łącze baz danych). Wykorzystany został mechanizm wnioskowania rozmytego,

skonstruowany na podstawie analizy gromadzonych w bazie danych pomiarów, przez zestaw reguł i funkcji przynależności zdefiniowanych przez eksperta zarządzającego monitorowaną aplikacją. Moduł ten opiera się na dwóch programach rezydentnych, pracujących w tle systemu operacyjnego

i wykonujących cyklicznie przypisane im zadania. Programy komunikują się ze sobą poprzez wspólne obszary pamięci. Opracowane i zaimpelentowane przez nas narzędzia diagnostyczne

informują użytkownika o aktualnie realizowanych przez aplikację obliczeniach. Moduł wnioskowania rozmytego pozwala na definiowanie własnych zmiennych lingwistycznych oraz budowanie z nich rozległych baz reguł, z wykorzystaniem których system potrafi automatycznie koordynować pracę monitorowanych urządzeń [8].

Diagnostic Service Bus

W informatyce dawno dostrzeżono problem związany z łączeniem wielu różnych aplikacji (często napisanych w innych językach z użyciem różnych technologii). Środkiem pozwalającym na rozwiązanie zadania fuzji (łączenia) różnych metod programowania okazała się filozofia, a właściwie idea określana mianem architektury zorientowanej usługowo. SOA [5] to jedynie

pomysł na budowanie systemów zorientowanych na dostarczanie usług, działających według określonych kryteriów, niezależnie od konkretnych technologii. Dla użytkownika końcowego

serwisy są czarnymi skrzynkami, których zawartość nie musi być powszechnie dostępna. W tym przypadku liczy się jedynie metoda podawania parametrów wejściowych i otrzymywania na wyjściu danych przetworzonych.

Opracowany model aplikacji DSB wykorzystywany w systemie SMO, służącym diagnostyce budynków, stanowi realizację koncepcji SOA. Zaproponowane przez autorów rozwiązanie dotyczy zastosowania szyny danych w diagnostyce obiektów przemysłowych. W kategoriach systemowych,

szyna pozwala na integrację zaimplementowanych wcześniej modułów programowych działających na podstawie różnych technologii. W trakcie prac nad Diagnostyczną Szyną Danych przeanalizowano sposoby i metody realizacji powszechnych obecnie systemów zorientowanych usługowo, opartych na ESB [4], tj. MULE [17] i Biztalk [3]. Zdobyta w ten sposób wiedza pozwoliła na realizację rozwiązania dostosowanego do potrzeb SMO i diagnostyki obiektów przemysłowych [8].

przesyłanie danych

Szyna DSB nie tylko pozwala na połączenie różnych aplikacji komputerowych, ale również umożliwia obsługę urządzeń komunikujących się w standardzie TCP/IP (ang. Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Z punktu widzenia systemów pomiarowych uzyskuje się w ten sposób

rozwiązanie ułatwiające dokonywanie integracji czujników z systemami przetwarzania informacji pomiarowych. Wspólna szyna danych ma jeden standard zapisu i przesyłania informacji.

W przypadku rozwiązania DSB format przesyłanych wiadomości jest zgodny ze standardem XML.

Taka koncepcja zapewnia wysoką elastyczność i umożliwia transformację zawartości przesyłanej wiadomości z jednego formatu na inny. Proces przetwarzania danych, pochodzących z instrumentów pomiarowych, wymaga zastosowania analizy etapowej. Czujniki podłączone są do DSB poprzez standard TCP/IP. DSB pobiera dane pomiarowe, a następnie dokonuje ich transformacji do obowiązującego standardu przesyłania wiadomości. W kolejnym etapie dane poddawane są przetwarzaniu wstępnemu (ang. pre-procesing). Analiza na tym poziomie pozwala określić przydatność pobranej informacji. Kolejne etapy zależą od konstrukcji systemu pomiarowo-

wnioskującego. Z punktu widzenia zarządzania wiadomościami na szynie DSB istnieje możliwość całkowitej kontroli kierunku i sposobu przesyłania danych. Schemat DSB przedstawiono na rysunku 3.

integracja SMO i DSB

Sieciowy Monitor Obiektu [6] jest aplikacją umożliwiającą obserwację i analizę monitorowanych wartości fizycznych. Jest to system autonomiczny, który reaguje w sytuacjach zdefiniowanych przez użytkownika/eksperta jako niepoprawne bądź też krytyczne. Do analizy sygnałów pomiarowych stosuje się odpowiedni moduł wnioskowania rozmytego. Testy systemu w warunkach rzeczywistych uwypukliły problem związany z przetwarzaniem dużej liczby danych pomiarowych.

Urządzenia wbudowane wyposażone w system SMO często zbyt długo przeprowadzały proces wnioskowania, przekraczając tym samym stawiane im wymagania czasowe. Idea wykorzystania

wspólnej szyny danych dla urządzeń SMO, umożliwiającej szybką wymianę informacji, zaowocowała projektem magistrali DSB.

Choć magistrala miała służyć jedynie jako wspomagające medium komunikacyjne, w trakcie prac projektowych powstała koncepcja budowy aplikacji zorientowanej na usługi. Dzięki takiemu rozwiązaniu w przypadku nadmiaru analizowanych danych, urządzenia będą mogły przekazywać ich część do magistrali w celu zwiększenia całkowitej wydajności systemu. Przepływ danych uzależniony jest wówczas od konfiguracji systemu, a nieprzetworzone informacje mogą trafić

do innych nieużywanych w danej chwili urządzeń wbudowanych, bądź też do centralnego urządzenia obliczeniowego. Istotną zaletą takiego rozwiązania jest możliwość wykorzystania tej samej informacji przez kilka modułów jednocześnie, np. moduł wnioskujący, raportujący, czy wykonawczy. Zrównoleglenie operacji przyczynia się do podniesienia wydajności systemu diagnostycznego oraz kompleksowości wcielanych usług [8].

podsumowanie

Rozwój mobilności i zaawansowania technologii informatycznych i internetowych, a także poszerzanie się globalizacji w aspektach zarządzania przepływem informacji w znacznym stopniu przyczyniły się do postępu w konstruowaniu nowatorskich rozwiązań. W myśl tej zasady powstał

prototyp Sieciowego Monitora Obiektu, aplikacji umożliwiającej nie tylko ciągłe kontrolowanie parametrów fizycznych obiektów, ale również zarządzanie grupami użytkowników oraz przepływem informacjami. Rozwój zaprezentowanej koncepcji Sieciowego Monitora Obiektu oraz wstępne opracowanie odpowiadającego mu języka opisu [11], a także planowana budowa platformy symulacji powininny wpłynąć na zwiększenie wydajności projektowanych zintegrowanych

systemów zarządzających inteligentnymi budynkami, usprawnienie ich działania oraz – w efekcie końcowym rezultatów – przyczynić się do ochrony środowiska.

literatura

1. K. Arentowicz, Zastosowanie standardu Zigbee do zdalnego sterowania urządzeniami pomiarowymi, „Zeszyty Naukowe Wydziału ETI Politechniki Gdańskiej”, Gdańsk 2006.

2. L. Bryndza, LPC2000. Mikrokontrolery z rdzeniem ARM7, BTC, Warszawa 2007.

3. Biztalk, MS Biztalk Server, http:// www.microsoft.com/biztalk/en/us/default.aspx, (2011).

4. D. Chappell, Enterprise Service Bus: Theory in Practice, O'Reilly Media, 2004.

5. T. Erl, Service-Oriented Architecture, Pearson Education Inc., Indiana 2009.

6. Z. Kowalczuk, J. Wszołek, Sieciowy monitoring i diagnostyka obiektów [w:] Z. Kowalczuk, Systemy wykrywające i tolerujące usterki, (227–234), PWNT, Gdańsk 2009.

7. Z. Kowalczuk (red.), Systemy Wykrywające, Analizujące i Tolerujące Usterki, PWNT – Pomorskie Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Gdańsk 2009.

8. Z. Kowalczuk, J. Wszołek, Diagnostyka obiektów przemysłowych z wykorzystaniem wspólnej magistrali usług – Diagnostic Service Bus, „Problemy Eksploatacji”, (81/121–130), 2011.

9. Z. Kowalczuk, J. Wszołek, Sieciowy monitor obiektu wspierający pracę eksperta, [w:] A. Grzech, K. Juszczyszyn, H. Kwaśnicka, N.T. Nguyen (red.), Inżynieria Wiedzy i Systemy Ekspertowe, (329–337), AOW EXIT, Warszawa 2009.

10. Z. Kowalczuk (red.), Charakterystyka Energetyczna Budynków, PWNT, Gdańsk 2010.

11. Z. Kowalczuk, J. Wszołek, Modelowanie struktur sieci diagnostyczno-pomiarowych z wykorzystaniem języka SMOL, „XVIII Krajowa Konferencja Automatyki”, Wrocław 2014.

12. Z. Kowalczuk, C. Orłowski, Advanced Modeling of Management Processes in Information Technology, Springer-Verlag, Heidelberg-New York-London 2014.

13. Z. Kowalczuk, P. Raczyński, Architektura i programowanie inteligentnych sterowników opartych na układach mikroprocesorowych, „elektro.info”, 42(3/36–42), 2006.

14. Z. Kowalczuk, P. Raczyński, Sprzęganie w inteligentnych sterownikach mikroprocesorowych, „elektro. info”, 42(4/60–64), 2006.

15. M. Krzaczek, Z. Kowalczuk, Thermal Barrier as a technique of indirect heating and cooling for residential buildings, “Energy and Buildings”, 43(4/823–837), 2011.

16. M. Krzaczek, Z. Kowalczuk, Gain Scheduling control applied to Thermal Barrier in systems of

indirect passive heating and cooling of buildings, “Control Engineering Practice”

(doi: 10.1016/ j.coneng pr ac. 2012.07.0 07 ), 20(12/1325–1336), 2012.

17. Mule ESB Community, (strona internetowa: http://mulesoft.org/), (2011).

18. C. Orłowski, Z. Kowalczuk, Modelowanie procesów zarządzania technologiami informatycznym, PWNT, Gdańsk 2012.

19. W. Sołtyka, Z. Kowalczuk, Energia słoneczna – źródło energii odnawialnej – niedostatecznie wykorzystane w Polsce, „Konsulting Polski” [ISSN 2353-5091], (3/45–47), 2014.

Źródło: Elektro Info 3/2015