ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения [Контроль
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
Главный peдактоp — д-p техн. наук, вдофессор В. Ю. Kнeллep
реферат
"ПРИБОРНОЕ ОБЛАКО" — КОНЦЕПЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ИНТЕРНЕТ-ТЕХНОЛОГИИ
Сближение методов радиочастотной идентификации (RFID) с интернет-приложениями означает, что больше не нужно ассоциировать измерительные данные с конкретным компьютером, на котором инсталлировано определенное ПО — теперь анализ данных, мониторинг и управление могут осуществляться в любой точке "облака".
Мир становится все более и более интернет-ориентированным. Глобальная сеть используется для электронной коммуникации, получения информации, развлечения и в социальных целях. Наряду с широко известными офисными интернет-приложениями, такими как Google Docs, существует огромное количество не известных широкой публике интернет-приложений, которые не привязаны к какому-либо конкретному оборудованию и могут функционировать на портативных устройствах любых типов: от нетбуков до смартфонов. Неудивительно, что и мир приборов старается следовать этому. Сегодняшние RFID-технологии позволяют производителям создавать недорогие метки датчиков, что позволяет отправлять и получать данные через стандартные точки доступа WiFi или беспроводные маршрутизаторы. Такие метки могут месяцами работать от батарейки и напрямую взаимодействовать с "Прибором на Web-странице" (Web Page Instrument), позволяя пользователю контролировать процесс измерений и управлять им с любого устройства, имеющего доступ к Web-странице. Эта концепция в целом получила название "Приборное облако" (Instrumentation Cloud).
История средств измерений начиналась с автономных устройств: пользователь напрямую со-
единял первичный преобразователь с измерительным прибором, содержащим измерительную цепь и отображающим результаты измерений. При необходимости взаимосвязи приборов она достигалась с использованием последовательных соединений; в 1970-х гг. появился интерфейс Hewlett-Packard Interface Bus (HPIB), позднее развившийся в интерфейс IEEE-488, широко используемый сегодня для соединения приборов. Следующим крупным прорывом стало широкое применение настольных ПК, открывших возможности недорогой реализации тестовых программ, управления приборами, сбора, обработки и отображения данных. Встраиваемые платы с интерфейсом IEEE-488 позволили выполнять эти задачи сначала мини-ЭВМ, а позднее и ПК. Сегодняшние приборы взаимодействуют с ПК через USB, Ethernet, а с недавнего времени и через беспроводной Ethernet — WiFi.
После существенного снижения стоимости ПК, материнских плат и встроенных ПК, следующим логичным шагом стало объединение прибора и ПК в одном корпусе. Это объединение приняло три следующие формы.
• ПК встраивали в прибор. В традиционных автономных приборах, таких как осциллографы или логические анализаторы, реализовывалась полномасштабная функциональность ПК так, что пользователи могли проводить анализ знакомыми им средствами, такими как электронные таблицы или аналитические пакеты типа MATLAB.
• Прибор встраивали в ПК. Производители создавали приборы на вставных платах, пер-
ее
Sensors & Systems • № 8.2010
воначально ориентированных на шины ПК PC-XT и PC-AT, а сегодня на различные версии шины PCI.
• Разрабатывались схемы специальных шасси. Когда гнезда расширения исчезли из большинства ПК, инженеры, желавшие работать с приборами на платах, перешли к специальным шасси, в 1 или 2 слота которых вставлялись материнские платы ПК стандартных размеров, а остальные слоты использовались для функциональных плат.
Концепция приборного облака предусматривает "освобождение" аппаратного обеспечения: первичные преобразователи больше не будут привязаны к определенной приборной сети или ПК — WiFi-метка сенсора связывается с любой точкой доступа или с маршрутизатором. ПО, при этом, также "освобождается": данные измерений больше не привязаны к определенной программе сбора и анализа, инсталлированной на том или ином компьютере. Вместо того, чтобы отправлять данные на драйвер устройства, который будет загружать их в ПО, локально установленное на ПК, радиочастотная метка будет отсылать их на точку доступа для дальнейшей передачи на один или более управляемых пользователем интернет-серверов или Приборов на Web-странице, где они будут обрабатываться. Каждый Прибор на Web-страни-це определяется IP-адресом сервера, на котором он реализован.
Прибор на Web-странице, работающий на различных устройствах, может выполнять различные функции: от простого представления данных до поддержки систем сигнализации c отправкой тестовых сообщений, подачей звуковых сигналов и даже отправкой корректирующих команд на метку датчика. Он может действовать как информационно-измерительная система, рассчитывающая потребление и затраты, предоставляющая услуги СУБД и хранилища данных, или, например, осуществлять автоматический мониторинг состояния оборудования или контроль состояния здоровья пациентов на дому.
В качестве интересного предшественника будущих технологий Приборного облака можно привести сайт Pachube <www.pachube.com>, позиционирующий себя как "посредническая платформа данных реального времени". Можно соединить датчики с ПК или даже с мобильным устройством типа iPhone или iPod и, запустив встроенные в эту Web-страницу апплеты, представить результаты измерений на сайте Pachube так, что их можно будет рассматривать в любое время и с любого устройства, имеющего доступ в сеть.
Симпатии любителей поэкспериментировать с прототипом новой технологии завоевала открытая платформа под названием Arduino <www.arduino.cc>. Эта устройство, представляю-
щее собой плату с микроконтроллером, позволяет соединять датчики, писать программы сбора данных и управления и взаимодействовать с устройствами типа iPhone, обеспечивающими доступ к глобальной сети.
Однако промышленные пользователи стремятся найти что-то более подходящее: готовый продукт от изготовителя с высокопроизводительным аналоговым или цифровым входным каскадом, мощным процессором, достаточным объемом памяти, — и все это в компактном исполнении и с энергоэффективным беспроводным интерфейсом. Технология RFID позволяет удовлетворить все эти требования.
Примером того, как можно объединить аппаратные и программные средства в форме, подходящей для промышленных и коммерческих применений, является устройство Tag4M (Tag for Measurement — Метка для измерений) фирмы Cores Electronics. Эта сенсорная радиометка размером 6,5 s 4,8 см, включает в себя приемопередатчик WiFi стандарта IEEE-802.11 b/g, работающий на частоте 2,4 ГГц, керамическую антенну с микросхемой, 32-разрядный процессор RISC, ОЗУ/ПЗУ и энергонезависимое ЗУ для встроенного ПО и буфера данных. Его входные измерительные каскады комплектуются четырехканаль-ным 14-разрядным АЦП и четырьмя цифровыми каналами ввода-вывода. Устройство может в течение нескольких недель питаться от одной маленькой литиевой батарейки.
На каждом рабочем цикле метка выходит из спящего режима и первым делом получает данные, которые затем отправляет в интернет. Далее оно слушает свою точку доступа и получает инструкции по любым операциям, которые следует выполнить далее, таким как конфигурирование и обновление цифровых линий ввода-вывода. Например, вкладка "Управление" Прибора на Web-странице позволяет сконфигурировать оборудование линий цифрового ввода-вывода на выход и задать их значения. Эти инструкции выполняются при следующем запуске устройства, после чего метка снова возвращается в спящий режим для экономии энергии батарейки. Время, прошедшее между двумя циклами работы может составлять от нескольких микросекунд до нескольких часов.
Описанное устройство представляет собой оборудование Приборного облака первого поколения, где все измерительные возможности сосредоточены в системе-на-кристалле, производной от радиометки, содержащей радиолинию, АЦП и линии цифрового ввода-вывода. Сегодня быстродействие АЦП невелико (до 25 отсчетов в секунду) и подходит, главным образом, для сенсоров и преобразователей, отслеживающих медленно изменяющиеся физические величины. Использование в ближайшее время встроенного в плату так-
шш
Датчики и Системы
№ 8.2010
67
тового генератора реального времени с частотой 32 кГц позволит увеличить максимальную частоту дискретизации до 28 тыс. отсчетов в секунду.
В силу чередования режимов (спящий — рабочий) эти приборы не предназначены для сбора и обработки данных на непрерывной основе. Для таких применений устройство необходимо оснастить адаптером постоянного тока.
Что касается ПО, то сервисам открытого доступа типа Pachube промышленные пользователи предпочли бы специализированные, ориентированные на конкретные применения и хорошо защищенные Web-приборы. На нынешней ранней стадии они будут создавать их сами с помощью модели Web-прибора Tag4M, а также стандартных средств Web-страниц. Однако пользователи ожидают в скором времени получить в свое распоряжение широкий набор средств построения приложений для автоматизации процесса создания Web-приборов.
Несмотря на новизну концепции приборного облака, некоторые применения этой технологии напрашиваются сами собой. Наиболее очевидное — восприятие параметров окружающей среды, встроенное в распространяющуюся инфраструктуру WiFi, которая уже существует на предприятиях и в компаниях, точках розничной торговли, складских территориях. Приборы из "облака" позволят получать и взаимно распространять данные измерений в реальном времени, поступающие от объектов, устройств и территорий по всему миру с использованием Web-страниц и виджетов. Под виджетом понимается апплет автономного измерительного прибора, который может быть встроен пользователем на любом Web-сайте в те страницы, редактировать которые он имеет право (например, собственная Web-страница, блог или профиль в социальной сети). Приборы из "облака" облегчают людям во всем мире стандартизацию измерений, взаимный обмен инструментами, информацией и результатами экспериментов.
В качестве примера можно привести iLAB Service Broker Массачусетского технологичес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.