IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

В последнее время в России и мире наблюдается тенденция к повышению комфорта условий проживания людей и одновременно экономии энергоресурсов. Эти две задачи на первый взгляд могут показаться противоречивыми, однако практика показывает, что гибкое управление температурным режимом помещений совместно с новыми технологиями в строительстве может привести к сокращению энергозатрат. Одним из способов повышения эффективности отопительной системы в частном коттедже является применение принудительной циркуляции теплоносителя при помощи специальных маломощных насосов. Уже эта мера приводит к значительной экономии энергозатрат на отопление. Кроме того, если в помещении нет людей, то в холодное время года не обязательно поддерживать в нем высокую температуру, а перед появлением людей комнату можно прогреть. Оптимальной для сна (в медицине считается этот факт установленным) является температура , а во время бодрствования температура окружающего воздуха должна быть выше. Все это позволяет экономить энергетические ресурсы, снижать затраты на обогрев зданий и выброс парниковых газов в атмосферу. Для обеспечения таких функций возникает необходимость разработать устройство, которое способно контролировать температуру в помещениях и при необходимости регулировать подачу тепловой энергии из отопительной системы в помещения. В качестве дополнительной функции разрабатываемое устройство может выполнять учет потребления энергоресурсов.

Целью проекта является создание программного и аппаратного обеспечения для центра автоматизированного сбора и обработки информации о состоянии параметров окружающей среды и отопительной аппаратуры. Опрос датчиков и контроль за состоянием теплоносителя планируется осуществлять при помощи ЭВМ и специально разработанного ПО.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• изучить разнообразие сетей, сравнить их преимущества и недостатки;

• изучить принцип построения наиболее приемлемой для сбора информации сети;

• разработать алгоритм опроса датчиков и анализа полученной информации;

• на базе разработанных алгоритмов создать программное обеспечение;

• провести экспериментальную апробацию и при необходимости отладку ПО;

• систематизировать теоретический материал и полученные экспериментальные данные.

Сравнение сетей передачи данных

Рассмотрим некоторые сетевые интерфейсы, позволяющие создать систему для осуществления распределенного сбора информации [1].

• LAN сеть

Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) – система связи между двумя или более компьютерами. Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило – различные виды электрических сигналов или электромагнитного излучения. К достоинствам данной сети можно отнести небольшое время установки сети, относительную дешевизну, простоту настройки и то, что выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети.

Основным недостатком этой сети является сложное конечное оборудование, требующее питания.

• Промышленный интерфейс RS 485

Протокол связи RS-485 является наиболее широко распространенным промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников.

Самый существенный недостаток RS 485 такой же: сложное конечное оборудование, требующее питания. Однако сложность оборудования значительно меньше, чем при использовании LAN, поэтому такой интерфейс можно использовать для создания сети исполнительных устройств (управляемых ключей и т.д.).

• 1-Wire

Представляет собой двунаправленную шину связи для устройств с низкоскоростной передачей данных (обычно 15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с в режиме overdrive), в которой данные и питание передаются по одному и тому же проводнику (то есть всего используются два провода – один общий, а второй для питания и данных; в некоторых случаях используют и отдельный провод питания).

Одна из привлекательных характеристик шины – тот факт, что для связи с устройством необходимо лишь два провода: на данные и заземление. Для этого интегральная схема содержит конденсатор ёмкостью 800 пФ для питания от линии данных (так называемое питание от паразитного источника). Другая привлекательная характеристика шины – большое расстояние передачи (до 300 метров, при соблюдении ряда условий), топология – общая шина с единым стволом (не свободная топология), а также изменяемость конфигурации любой сети 1-Wire в процессе её работы. Кроме того, к достоинствам можно отнести следующие:

• простое и оригинальное решение адресуемости абонентов (обеспечивается выпуском компонентов сети с 64-битным уникальным адресом);

• относительно простой протокол;

• простая структура линии связи;

• малое потребление компонентов;

• легкое изменение конфигурации сети;

• значительная протяженность линий связи;

• огромная номенклатура однопроводных устройств;

• исключительная дешевизна всей технологии в целом.

С учётом всех выше изложенных фактов наиболее удачным вариантом для создания распределенной системы сбора информации будет применение 1-Wire сети потому что она требует малого количества энергии и способна одновременно работать с множеством устройств без ущерба для скорости соединения. К сожалению в России доступен не весь номенклатурный ряд компонентов однопроводной сети, что не позволяет ограничится применением только этой сетевой технологии.

Обзор 1-Wire сети

Однопроводной интерфейс 1-Wire [2], разработанный в конце 90-х годов фирмой DallasSemiconductorCorp., регламентирован разработчиками для применения в трех основных сферах-приложениях:

• приборы в специальных корпусах MicroCAN для решения проблем идентификации, переноса или преобразования информации (технология iButton);

• программирование встроенной памяти интегральных компонентов;

• системы автоматизации (технология 1-Wire-сетей).

Если первое применение широко известно на мировом рынке, и уже давно пользуется заслуженной популярностью, а второе с успехом обеспечивает возможность легкой перестройки функций полупроводниковых компонентов с малым количеством внешних выводов, производимых фирмой DallasSemiconductorCorp., то системы автоматизации на базе 1-Wire-шины еще не получили должного признания.

1-Wire-net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных и один возвратный (или земляной) провод. Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть применены доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару любой категории, и даже обычный телефонный провод. Такие кабели при их прокладке не требуют наличия какого-либо специального оборудования, а ограничение максимальной длины однопроводной линии регламентировано разработчиками на уровне 300м.

Основой архитектуры 1-Wire-сетей, является топология общей шины, когда каждое из устройств подключено непосредственно к единой магистрали, без каких-либо каскадных соединений или ветвлений. Конфигурация любой 1-Wire-сети может произвольно меняться в процессе ее работы, без ущерба для работоспособности сети, если при этих изменениях соблюдаются основные принципы организации однопроводной шины. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе 1-Wire-интерфейса специальной команды поиска ведомых устройств (Поиск ПЗУ), которая позволяет быстро определить новых участников информационного обмена. Благодаря наличию в составе любого устройства, снабженного сетевой версией 1-Wire-интерфейса, уникального индивидуального адреса (отсутствие совпадения адресов для приборов, когда-либо выпускаемых DallasSemiconductorCorp, гарантируется самой фирмой-производителем), такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом, каждый из однопроводных приборов сразу готов к использованию в составе 1-Wire-сети. Однопроводные компоненты являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми, лежит управление изменением длительности временных интервалов импульсных сигналов в однопроводной среде и их измерение. Передача сигналов, для 1-Wire-интерфейса, асинхронная и полудуплексная, а вся информация, циркулирующая в сети, воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых устройств, определяют активность на линии, управляют обменом данными в сети и т.д.

Стандартная скорость работы 1-Wire-сетисоставляет 15,4Кбит/сек. Это значение скорости обмена может быть уменьшено до любого возможного значения благодаря введению принудительной задержки между передачей в линию отдельных битов данных (растягиванию временных слотов протокола). Или увеличено за счет перехода на специальный ускоренный режим обмена (скорость Overdrive – до 125Кбит/сек), который допускается для отдельных типов однопроводных компонентов на небольшой по расстоянию, качественной, не перегруженной другими приборами линии связи.

При реализации однопроводного интерфейса используются стандартные КМОП/ТТЛ логические уровни сигналов, а питание большинства однопроводных компонентов может осуществляться от внешнего источника с рабочим напряжением в диапазоне от 2,8В до 6,0В, или через так называемый, механизм "паразитного питания", действие которого заключается в использовании каждым из ведомых компонентов 1-Wire-линии электрической энергии импульсов, передаваемых по шине данных, которая аккумулируется специальной, встроенной в прибор емкостью. Кроме того, отдельные компоненты однопроводных сетей могут использовать режим питания по шине данных, когда энергия к приемнику поступает непосредственно от мастера по линии связи, при этом обмен информацией в сети принудительно прекращается.

Ведомые однопроводные компоненты

Ведомые однопроводные компоненты, содержащие 1-Wire-интерфейс, выпускаются либо в корпусах MicroCAN, похожих внешне на дисковый металлический аккумулятор, либо в обычных корпусах для монтажа на печатную плату. Футляр MicroCAN полый внутри. Он выполняет функцию защиты содержащегося в нем полупроводникового кристалла однопроводной микросхемы, который соединен с внешним миром лишь через две, изолированные друг от друга, половинки корпуса, являющиеся по существу контактными площадками для подключения однопроводной линии. Компоненты, которые предназначены для использования в составе 1-Wire-сетей, упаковываются в пластиковые корпуса, используемые для изготовления транзисторов и интегральных схем. Это связано с тем, что в отличие от устройств iButton однопроводные приборы для 1-Wire-сетей часто имеют более двух выводов. Помимо выводов, которые требуются для обмена данными по однопроводной магистрали, они располагают дополнительными выводами необходимыми, для обеспечения их питания и организации внешних цепей, связывающих такие приборы с объектами автоматизации, например, датчиками или исполнительными устройствами.

К наиболее простым ведомым однопроводным компонентам относятся кремневый серийный номер DS2401 (или модифицированный вариант этого прибора с внешним питанием DS2411) и электронный ключ DS2405, управляемый по 1-Wire-интерфейсу. Первое из этих устройств часто используется в качестве электронной метки. С помощью DS2405 можно дистанционно осуществить простейшие функции переключения внешнего оборудования.

Наиболее популярными ведомыми компонентами, являются цифровые термометры типа DS18S20 [4] (рис. 7 в приложении). Они позволяют не только осуществлять непосредственный мониторинг температуры в диапазоне от -55°С до +125°С в режиме реального времени, но и благодаря наличию встроенной энергонезависимой памяти температурных вставок, могут обеспечивать приоритетную сигнализацию в линию о факте выхода контролируемого параметра за пределы заданных значений.

Четырехканальный однопроводной АЦП типа DS2450 и двухканальный однопроводной счетчик, совмещенный с буферной памятью, типа DS2423 позволяют решать задачи, связанные с оцифровкой аналоговых и импульсно-временных сигналов. Первое из этих устройств по существу разрешает проблему обслуживания источников аналоговой информации в составе 1-Wire-сетей, к которым относится большинство выпускаемых в настоящее время датчиков различных физических величин (давление, вес, напряжение, влажность, ток, освещенность, ускорение, та же температура, но в диапазонах недоступных для регистрации посредством использования цифровых термометров и т.д.).

Самой фирмой DallasSemiconductorCorp. в качестве стандартного "мостика" обмена между любыми схемами, построенными на микроконтроллерах различных типов, и 1-Wire-сетями рекомендуется применение специализированной двухпортовой статической памяти DS2404. Поскольку к массиву памяти этого прибора возможен доступ, как со стороны однопроводной шины, так и со стороны подчиненного последовательного интерфейса, управляемого микроконтроллером, обмен информацией между ведущим сети и подчиненным интеллектуальным устройством, решающим какую-либо локальную задачу, производится достаточно легко.

Некоторые компоненты 1-Wire-сетей содержат в своем составе массив постоянной (однократно заполняемой пользователем) или энергонезависимой памяти того или иного объема. Это позволяет хранить специальную служебную информацию, связанную с применением конкретного компонента и особенностями его использования (идентификатор, территориальное положение, калибровочные коэффициенты, размерность, значение установок по умолчанию и т.д.), непосредственно в составе однопроводного прибора. Благодаря этому для организации работы каждой новой однопроводной сети не нужно готовить отдельное специальное программное обеспечение, достаточно иметь одну стандартную программу, которая переконфигурируется в зависимости от специфики конкретной системы (конечно, если память всех компонентов 1-Wire-системы заполнена в соответствии с определенными, заранее оговоренными правилами). Если же в процессе работы системы требуется хранить дополнительные объемы информации, в распоряжении разработчика имеются специальные однопроводные приборы, содержащие как постоянную (DS2502/ DS2505/ DS2506), так и энергонезависимую (DS2430A/ DS2432/ DS2433) память различных объемов.

Линия связи и топология

Как правило, линии связи имеют структуру, состоящую из трех основных проводников: DATA - шина данных, RET - возвратный или земляной провод, EXT_POWER– внешнее питание не только обслуживаемых ведомых устройств, но и внешних относительно них цепей датчиков и органов управления. В зависимости от способа прокладки, сопряжения с ведомыми устройствами и используемых при прокладке материалов, в соответствии с табл. 1 (приложение) различают три основных варианта качества организации 1-Wire-сетей, каждый из которых подразумевает использование особой технологии и аксессуаров при реализации линии.

Методы достижения цели

Аппаратное обеспечение сети исполнительных устройств

В качестве управляющего центра используется обычный компьютер, имеющий стандартный порт RS-232 (если такой порт отсутствует, то допускается использование адаптеров USB→RS-232). Сигналы интерфейса RS-232 преобразуются при помощи микросхемы MAX-232в сигналы ТТЛ уровня, далее, через гальваническую развязку в виде оптопар, поступают на драйвер однопроводного интерфейса DS2480B [5]. Дополнительная логика управляет индикацией активности передачи и приема информации. Для питания этого устройства необходимо наличие напряжения 5 в со стороны интерфейса RS-232 и гальванически изолированного напряжения 5 в и 12 в для питания сложных датчиков и устройств. Допускается использование гальванически связанных источников питания, однако тогда шина окажется не развязанной с управляющим центром. Попадание на шину высокого напряжения в этом случае может привести к выходу из строя управляющего центра. Внешний вид моста между интерфейсами RS-232 и 1-wireприведен на рис. 6 и рис. 8 в приложении.

Разработка ПО для работы с 1-Wireсетью

Разработанное ПО для работы с 1-wire сетью включает в себя следующий алгоритм:

• алгоритм OW – инициализация и опрос датчиков и передача информации в основную форму, при наличии исполнительных элементов в однопроводной сети может также передавать команды обратно к исполнительным устройствам;

Дополнительные алгоритмы, используемые для анализа собранной информации, могут работать последовательно, друг за другом или параллельно, через механизм реализации мультипоточного выполнения.

Детально рассмотрим алгоритм работы с однопроводной сетью, так как он отвечает целям выполнения проекта – сбору удаленной информации. Помимо множества процедур и функций ПО для работы с 1-Wire сетью включает в себя два очень важных компонента – алгоритм связи с 1W и опрос датчиков на шине 1W.

• Алгоритм связи с 1W (рис.5, приложение)

В начале алгоритма связи с 1W осуществляется процедура «поиск моста», который заключается в инициализации контроллера 1W шины на указанном последовательном порту. Далее следует условие «найден мост?» при положительном ответе осуществляется следующая процедура «Сброс 1W линии». Результат этого сброса несет в себе информацию о наличии хотя бы одного ведомого устройства на шине. Если обнаружены устройства, то запускается процедура циклического поиска устройств. На данном этапе выполнения программы осуществляется создание таблицы с адресами устройств OWDevice[i] и отправка адресов в основной поток. Внешний вид этой таблицы приведён на рис.1 (приложение). Заполнение таблицы производится автоматически. На рис.1 (приложение) она пуста, так как форма показана в момент разработки программы, без подключения компонентов на линию. После заполнения таблицы следует ещё один условный оператор, проверяющий найдены ли устройства. После чего запускается рабочий цикл. Отрицательный ответ на какой-либо условный оператор прекращает работу программы ввиду отсутствия 1W сети или устройств на ней.

• Опрос датчиков (рис. 4, приложение)

Начинается с присвоения переменной-счётчику устройств i значения 1. Далее следует запрос на преобразование, посылаемый к устройству с адресом OWDevice[i] и задержка на преобразование. В это время происходит преобразование информации в цифровой вид и сохранение во внутренние регистры датчика. На следующем этапе происходит получение данных с устройства с адресом OWDevice[i] и отправка их в основной поток. Далее счётчику присваивается значение на единицу больше текущего и проверяется условие i>cnt, где cnt – общее число устройств, находящихся в данный момент на линии. Если ответ отрицательный, то программа возвращается на шаг запроса устройства OWDevice[i] и получает данные со следующего датчика. Если же ответ положительный, вновь инициализирует однопроводную сеть. Этим достигается своевременное обновление информации о структуре сети и непрерывный поочерёдный опрос всех датчиков.

Для удобства пользователя мы разработали в нашей программе интуитивно понятный интерфейс. Вид главного окна представлен на рис.2 (приложение). Количество строк зависит от количества датчиков, которые желает видеть пользователь (задается командами в окне редактирования однопроводных устройств, рис.3,приложение). Создание ПО производилось в программной среде Lazarus [3].

Применение разработанного устройства

Разработанная конструкция позволяет измерять температуру воздуха и других сред, в различных точках здания, улицы; определять влажность психрометрическим способом, и т.д. При наличии соответствующим образом сконструированных датчиков можно производить практически любые измерения (использование аналого-цифрового преобразователя позволяет использовать любой аналоговый сигнал для измерения соответствующих величин, например, давление, освещенность, напряжение, ток и т.п.).

Кроме того, наличие множества температурных сенсоров дает возможность оценивать тепловую энергию обогревательных контуров. Для этого существует два способа.

1. Классический. Определяем тепловую энергию по формуле где будем находить как разность показаний двух датчиковустановленных на входе и выходе контура. Удельную теплоёмкость теплоносителя как величину постоянную мы можем узнать в любом справочнике. Сложнее с массой прошедшей воды, напрямую измерить ее мы не можем, но существует способ определения массы путём косвенных измерений. На входе отопительного контура мы можем установить счётчик воды, который покажет нам объём прошедшего теплоносителя, соответственно умножив его на плотность мы получим массу.

2. Альтернативный. По закону Ньютона-Рихмана. Количество тепла, переданного от теплоносителя среде, определяется теплом, потерянным помещением. Можно рассчитать по двум равнозначным формулам , где коэффициент характеризует теплопотери помещения и для каждого отдельного случая может быть определен экспериментально, t – расчетный промежуток времени. С другой стороны , где: – количество тепла, использованное потребителем тепла; – коэффициент теплоотдачи, определяется единожды опытным путём; – площадь поверхности объекта теплоотдачи; – температура поверхности объекта теплоотдачи; – температура охлаждающей среды (комнаты); –расчетный промежуток времени.

Возможность одновременного подключения на линию большого количества датчиков позволяет оценивать количество тепловой энергии, потребляемой внутри каждой квартиры многоквартирного дома. Отсюда следует, что наше устройство может быть применено для более справедливого распределения платы за тепло в соответствии с индивидуальными особенностями потребления в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Практические результаты и выводы

В результате работы достигнуты следующие результаты:

• изучена структура однопроводной сети;

• разработаны алгоритмы для работы с однопроводной сетью;

• алгоритмы переведены на язык программирования Pascal;

• достигнута многофункциональность устройства;

• теоретический материал по теме систематизирован.

Рекомендуется установка данной системы в многоквартирных и частных домах для поддержания комфортного микроклимата и более справедливого распределения платы за энергоресурсы. Тепличным хозяйствам подобный комплекс поможет автоматизировать полив и проветривание посевных площадей. При доработке программы появится возможность оповещения о резком изменении параметров при помощи СМС, а также функция удалённого управления комплексом через портативное устройство, подключенное к сети Интернет.

Библиографический список

1. http://wikipedia.org – информация о LANсетях, интерфейсе RS 485 и 1-Wire сети.

2. http://dallas-semiconductor – информация об измерительных датчиках и советы производителя о ПО для работы с ними.

3. http://wiki.freepascal.org – учебное пособие по работе в программной среде Lazarus

4. DS18S20: Maxim Integrated Products 2010, 32 с. – описание температурного сенсора.

5. DS2480 Serial 1–WireLineDriver 2003, 26 c. – описание ведущего однопроводного интерфейса.

6. ApplicationNote 192 UsingtheDS2480BSerial 1-WireLineDriver 2003, 26 c. – рекомендации по применению и программированию ведущего однопроводного интерфейса.

Приложения

Классификация линии	Длина линии	Количество ведомых устройств	Тип используемого кабеля	Топология	Мастер линии
Короткие линии	До 30м	До 50шт.	4-хпроводный телефонный	Свободная	Пассивная подтяжка (резистор)
Средние линии	До 100м	До 200шт.	Витая пара 5 категории	Общая шина	Активная подтяжка (DS2480, DS2490 или специальное схемное решение)
Длинные линии	До 300м	До 300шт.	IEEE1394 (Firewire)	Общая шина с единым стволом	Активная подтяжка с учетом тока в линии

Табл.1 Линии связи

Рис.1 Таблица устройств.

Рис. 2 Главное окно программы

Рис.3 Окно редактирования таблицы однопроводных устройств.

Рис. 4 Алгоритм поиска устройств.

Рис. 5 Опрос датчиков

Рис. 6 Внешний вид устройства сопряжения RS-232 и 1-wireинтерфейсов

Рис. 7 Температурный датчик DS1820

Рис. 8 Подключенный интерфейс однопроводной шины.

17

Код для цитирования: Скопировать