Článek seznamuje s poslední verzí řešení komunikačního systému na české antarktické stanici. Popisuje především poslední verzi systému, který převzal funkci centrálního komunikačního prvku a aktuální řešení komunikace a sběru dat na stanici. Závěrečná část popisuje řešení komunikace v rámci antarktické stanice, tj. automatizovaný sběr dat z měřicích stanovištích vzdálených od základny několik metrů až kilometrů.
Communication System for the Czech Antarctic Station of Johann Gregor Mendel - Abstract
The article introduces the latest version of the solution of communication system in the Czech Antarctic station. The first part is devoted first to third version of the communication system. The second section describes the latest version of the system, which took over the function as central communication element, and the latest developments of communication and data collection at the station. The third section briefly describes solution of communication in the area of Antarctic station, i.e. automated data collection to other measuring stations distant from the base of a few meters to kilometers.
Keywords: Ad-hoc network; ad-hoc routing; Antarctic station; communication system; environment data collection; embedded system; satellite communication; wireless communication
Úvod
Historie komunikačního systému pro českou antarktickou stanici J. G. Mendela na ostrově Jamese Rosse sahá do roku 2008, kdy byla vyvinuta jeho první verze. Pracovní označení tohoto zařízení je „Bender I“. Současná varianta nese název „Bender III.2“. Oproti původnímu návrhu se systém liší ve všech směrech. Došlo k úpravě mechanické konstrukce, hardwarového vybavení a v neposlední řadě také ke kompletní úpravě řídicího softwaru. První část tohoto článku stručně popisuje rozdíly mezi jednotlivými verzemi a částečně tak navazuje na předchozí publikované články [1-8] o komunikačním systému na české antarktické stanici. Druhá část shrnuje aktuální řešení systému, včetně použité metodologie při jeho implementaci. Třetí část se zabývá návrhem nové části systému pro komunikaci centrálního prvku „Bender III. 2“ a odlehlých měřicích stanovišť v rámci české antarktické stanice.
Verze komunikačního systému I – III
Bender I vznikl na základě požadavku připojení české antarktické stanice, nacházející se u polárního kruhu na Ostrově Jamese Rosse, do Internetu v období, kdy je stanice obývána polární výpravou, ale také na základě potřeby odesílat automaticky změřená data v období, kdy je stanice bez obsluhy. Polární výprava stanici využívá nejčastěji v průběhu tamních letních měsíců, tedy leden až březen. Po zbytek roku je tedy vyžadována bezobslužná činnost komunikačního zařízení s velkou mírou spolehlivosti. Tento úkol se podařilo již v první verzi naplnit, ovšem s nedostatky plynoucí z odhadování provozních podmínek, které bylo velice obtížné definovat. Samotná expedice nedisponuje personálem, který by byl schopen zařízení dostatečně testovat na úrovni programovacího kódu a případně diagnostikovat hardwarovou chybu. Ladění v případě výpadků bylo velice časově náročné, vzhledem k tomu, že příležitost pro výměnu zařízení je pouze jednou ročně. Dalším zásadním problémem se ukázala samotná instalace zařízení. Veškeré modifikace provedené v jednotlivých verzích byly zejména zaměřeny na zjednodušování instalace pro obsluhu bez kvalifikace v oblasti telekomunikační techniky a elektrotechniky. Z tohoto důvodu byl vždy vytvořen podrobný návod k dané verzi systému a konkrétní člen expedice byl detailně seznámen s obsluhou zařízení. Pohled na antarktickou stanici je na Obr. 1 a varianta zařízení Bender I je na Obr. 2. Bender I disponoval satelitním terminálem BGAN (Broadband Global Area Network), rozhraním 802.11b/g, vnitřní napájecí jednotkou a hlavní řídicí jednotkou. Satelitní terminál sloužil pro spojení do Internetu s pomocí satelitní sítě Inmarsat. Členové expedice pak měli přístup do Internetu pomocí zřízené lokální bezdrátové sítě. Napájecí jednotka byla určena pro kontinuální napájení systému a propojení s jednotkami pro sběr dat. Hlavní řídící jednotka zprostředkovávala základní síťové operace, ukládání získaných dat z měření a další pomocné funkce. Bender I byl dokončen a odeslán na stanici v zimě 2008 [1-4].
Obr. 1 Česká antarktická stanice J. G. Mendela na ostrově Jamese Rosse.
Obr. 2 Fotografie zařízení „Bender I“
Verze zařízení Bender II již byla umístěna v rozměrnějším pouzdře a neobsahovala vybavení pro zprostředkování lokální bezdrátové sítě. Tato funkce se ukázala jako zbytečná, vzhledem k nutnosti umístění zařízení Bender mimo hlavní budovu antarktické stanice. Funkce lokální bezdrátové sítě je nadále zajišťována samostatným směrovačem připojeným do komunikační jednotky Bender pomocí UTP kabelu a technologií Ethernet. V této verzi došlo také k vylepšení napájecí desky a softwarového vybavení. Jednotka ovšem stále pracovala kontinuálně, dokud bylo dostupné napájení z trakčních baterií, jež jsou součástí stanice. Napájení jednotky v období autonomního provozu se ukázalo jako další z velkých problémů, který bylo nutno vyřešit.
Samotná stanice je v průběhu návštěvy expedice napájena z NiMH (Nikl Metal Hydrid) bateriových bloků s výkonem 12 kVA (80 baterií, každá o napětí 1,2 V a proudu až 400 A), které jsou dobíjeny z dieselagregátů o celkovém výkonu 54 kVA a zajišťují stanici při běžném odběru provoz až 24h. Dále je stanice vybavena osmi větrnými generátory elektrického proudu o celkovém výkonu 12kW. Samozřejmostí je sada měničů a elektrorozvodná síť s řízením. Toto napájecí schéma je ovšem dostupné pouze v přítomnosti obsluhy. V bezobslužném období jsou větrné generátory demontovány, aby se předešlo jejich poškození při panujících náročných klimatických podmínkách. Jediným zdrojem napájení jsou staniční baterie, plně nabité při odjezdu expedice. Dále byla zvažována instalace odolného větrného generátoru s menším výkonem, ale z důvodu finanční náročnosti a mechanickému opotřebení lopatek jemným pískem nedošlo k realizaci. Jednou z nejzásadnějších inovací bylo tedy osazení vlastních vnitřních baterií do krabice Bendera II tak, aby se posílila výdrž systému, a to bateriemi typu VRLA (Valve Regulated Lead Acid) o celkové kapacitě 16 Ah. Řídicí deska prováděla operace sběru naměřených dat a komunikace do Internetu pouze v pravidelných intervalech, nicméně část zařízení byla neustále v provozu. Bender II těsně před odesláním na polární stanici je na Obr. 3.
Zařízení bylo nově také vybaveno diagnostickým dvouciferným sedmi-segmentovým displejem pro zjednodušení práce obsluhy při uvádění jednotky do provozu. Konektor pro připojení periferních zařízení byl zvolen jako hlavice s 30 kontakty a následným rozbočením na kabelu. Na Obr. 3 je patrná izolační výplň k zachování lepších tepelných podmínek pro běh jednotlivých komponent a zvýšení výdrže akumulátorů. Bender II byl dokončen a odeslán na stanici na podzim 2010 [5, 6].
Obr. 3 Fotografie zařízení „Bender II“
Verze Bender III byla umístěna do stejného druhu krabice. Mimo jiné byla zvýšena kapacita vnitřních akumulátorů na celkových 24 Ah akumulátory stejného typu. Došlo ke změně čelního panelu. Místo displeje bylo použito pouze indikačních LED diod, jednotlivé konektory pro připojení periferií a komunikačních kabelů byly umístěny přímo na panel do oddělených rozhraní, byl přidán výstupní napájecí konektor pro připojení měřicí jednotky bez vlastních baterií a také byl přidán sekundární napájecí vstup pro volitelné připojení větrného generátoru či solárního panelu k dobíjení vnitřních baterií. Tento sekundární vstup umožňuje přímé dobíjení baterií napětím o úrovni 12V. Primární napájecí vstup je potom dimenzován na napětí od 9 do 70V (nominální napětí staniční sítě je 48V, staniční baterie však při plném nabití a malé zátěži poskytují napětí až 60V). Nejzásadnější inovací oproti předchozí verzi byla celková změna vnitřních komponent. Napájecí deska byla nově navržena tak, aby umožňovala aktivní řízení napájení jednotlivých spotřebičů a došlo také k celkové úpravě vnitřního uspořádání. Softwarové vybavení bylo použito z verze Bender II vyjma funkcí pro komunikaci s napájecí deskou a řízení periodického vypínání celého zařízení. Zařízení bylo úspěšně nasazeno na polární stanici v lednu 2012, ale po přibližně dvou týdnech provozu došlo ke kolísání napětí ve staniční rozvodné síti a byly nevratně poškozeny napájecí obvody vstupní části přímo na napájecí desce [7, 8].
Komunikační systém Bender III.2
Komunikační systém Bender III.2 byl odeslán na antarktickou stanici v říjnu 2012. Instalace a uvedení do provozu proběhne v lednu 2013. Proti předchozí verzi systém nově obsahuje robustnější ochranné obvody vstupní napájecí části a značně přepracovanou softwarovou část. Na Obr. 4 je znázorněno blokové schéma zařízení.
Obr. 4 Blokové schéma systému „Bender III.2“
Blokové schéma v levé horní části schematicky zobrazuje vzhled ovládacího panelu. Je zde umístěno tlačítko (1) sloužící k zapnutí indikace pomocí diod (2). V režimu práce bez externího napájení jsou diody trvale zhasnuté, kvůli snížení celkového odběru. V pravé části se potom nachází přepínač pro vynucení spojení do Internetu (3). Tento přepínač ovládá manuální spuštění satelitního spoje v případě pobytu členů expedice na stanici. Připojení do Internetu se však v bezobslužném režimu navazuje v pravidelných týdenních intervalech. Na panelu jsou dále přepínače pro zapnutí externího 48V napájecího vstupu (5) a pro připojení externího nabíjení (4). Pod přepínači jsou umístěny pojistky (F1 a F2). Konektor externího napájení 48V (8) je tříkolíkový v robustním kovovém provedení se zámkem. Konektor pro přímé nabíjení baterií (7) je obdobného typu s odlišným zapojením kolíků. Tříkolíkový konektor typu samice (9) je také použit pro připojení spotřebiče s nominálním napětím 12V. Spotřebičem může být měřicí zařízení, kamera apod. Tento napájecí výstup je ovládán řídicí a napájecí deskou dle potřeby. Panel dále obsahuje dva datové konektory RJ45 (ETH) a dva datové konektory RJ45 s napájením dle standardu 802.3af (ETH + POE). Pro připojení servisní konzole slouží dva konektory DB9 s protokolem RS232. Jeden je přiveden na řídicí desku a druhý k napájecí desce. Třetí konektor typu DB9 (BGAN ANT) je určen pro připojení anténní části satelitního terminálu BGAN.
Ovládací panel je propojen s napájecí deskou, která obsahuje jednočipový mikroprocesor, napájecí obvody a jeden interní teploměr. Druhý teploměr je připojen přes rozhraní typu I2C a poskytuje informace o povrchové teplotě baterií. Napájecí deska zároveň řídí nabíjení a je schopna regulovat nabíjecí režimy dle reálné teploty baterie. Spojení sériovým protokolem přes rozhraní RS232 s řídicí deskou umožňuje zapínání a odpojování jednotlivých vstupů, čtení stavových informací jako jsou hodnoty proudu a napětí na napájecích vstupech a výstupech, stavy teplot, stavy vnitřního automatického testu napájecí desky a další.
Řídicí deska ovládá řízení napájení, plánování běhu jednotlivých služeb, řízení spojení do Internetu, ukládání naměřených dat apod. Řídicí deska spouští obraz operačního systému z paměťové karty typu CompactFlash v režimu pouze pro čtení. Naměřená data a hodnoty stavu systému jsou ukládány do dvou oddělených flash pamětí připojených přes USB (Universal Serial Bus) rozhraní v režimu RAID 1.
Na diagramu jsou zeleně znázorněna propojení datovými kabely s technologií Ethernet. Dále je zde zobrazen satelitní terminál BGAN, který komunikuje právě pomocí Ethernetu a přepínač sloužící k rozšíření počtu portů.
Návrh řešení komunikačního systému v rámci české antarktické stanice
Tento návrh vychází z požadavku na možnost sběru dat na více místech v rámci stanice, která jsou od sebe vzdálena v řádech stovek metrů, resp. v jednom případě v řádech jednotek kilometrů. Cílem bylo vyvinout řešení zahrnující současnou variantu Bender III.2 s minimem hardwarových úprav a dále sadu univerzálních jednotek umístěných v rámci stanice. Tyto měřící, respektive komunikační, body (CP) by měly být pokud možno stejné konstrukce a s obdobnými provozními parametry jako u systému Bender III.2.
Na jednotlivé CP jsou kladeny následující nároky:
• Schopnost provozu v plně autonomním režimu.
• Nízká energetická náročnost, resp. napájení z vlastních akumulátorů a/nebo ze zdrojů s nízkým výkonem (solární panely, malý větrný generátor).
• Softwarové vybavení musí být schopno automatického restartu po chybě, tzn. implementace tzv. Watchdog procesu.
• Komunikace s centrálním uzlem na vzdálenost stovek metrů až jednotek kilometrů.
• Nízké nároky na uvedení do provozu a obsluhu.
Autonomní provoz
Tento požadavek je splněn pomocí HW a SW komponent aplikovaných a odzkoušených v systému Bender III.2. Systém je tedy složen z napájecí a řídící části. Fyzicky jsou tyto dvě části realizovány na jedné desce plošného spoje. Deska obsahuje obvody řízení napájení, sériové komunikační rozhraní, rozhraní typu Ethernet a dále sériové rozhraní pro připojení rádiového modemu.
Napájení
Systém může být napájen z vnitřních akumulátorů a/nebo z vnějšího zdroje ve formě malého větrného generátoru či solárního panelu. Nominální napětí externího napájení je 12V. Zařízení je však schopno pracovat s úrovněmi 10 - 24V. Při instalovaném vnitřním akumulátoru a dostatečné úrovni extérního napětí je systém tento akumulátor schopen dobíjet. Stejně jako systém Bender III.2 i CP aktivně řídí spotřebu napájení pomocí odpojování a připojování jednotlivých částí a jsou schopny pravidelného kompletního vypnutí až do doby, kdy je vyžadována naplánovaná akce (čtení měřených dat, komunikace atd.). Kapacita vnitřních baterií byla navržena na 8Ah. Jsou použity olověné VRLA akumulátory.
Instalace a obsluha zařízení
Samotný provoz je plně autonomní a zařízení disponuje pouze indikací zapnutí a datového provozu na komunikačním rozhraní. Z pohledu ovládání je na boxu umístěn pouze přepínač pro vypnutí a zapnutí jednotky. Tento přepínač jednoduše odpojuje napájení z baterií/externího zdroje. K zařízení je třeba připojit anténu rádiového modemu, měřicí periferii a případně extérní napájení. Zapnutím zařízení dojde k automatické inicializaci, navázání spojení a uvedení zařízení do autonomního provozu, tedy vypnutí do doby než je vyžadováno měření dat a komunikace s centrálním uzlem.
Řízení provozu
Jak bylo uvedeno výše, systém je ovládán řídicí deskou, která má na starosti napájení, komunikaci i čtení měřených dat. Napájecí část pouze realizuje příkazy z řídicí desky. Řídicí blok je realizován na platformě ARM9 a poskytuje dostatečný přebytek výkonu pro zvládnutí všech úkolů. SW vybavení je realizováno operačním systémem Linux a pomocí trvale pracujícího procesu (démona). V systému je také spuštěn robustní Watchdog proces pro případný restart systému v případě nepředvídané funkce řídicího procesu.
Komunikace
Komunikace s měřicími jednotkami je realizována přes sériové rozhraní standardu RS232 (tedy devíti kolíkovým konektorem DB9) nebo může být alternativně realizována přes síťové rozhraní Ethernet (konektor RJ45). Jednotka nedisponuje možností napájení periferií pomocí 802.3af (Power over Ethernet). Data získaná z měřicích periferií jsou dočasně uložena ve vnitřní paměti jednotky a v plánovaném okně pro komunikaci odeslána do centrálního uzlu Bender III.2.
Komunikace s centrální jednotkou může probíhat dvěma různými způsoby. Jednak drátovým spojením přes interní sériové rozhraní RS232, případně lze CP osadit převodníkem na variantu RS422. V obou případech se ale jedná o technicky náročnou variantu. Samotné natažení kabelu mezi CP a centrálním uzlem je v podmínkách antarktické stanice značně finančně i technicky náročné. Pro tuto komunikaci se tedy jeví jako vhodnější, a v podstatě jediný možný, bezdrátový způsob přenosu dat.
Varianta bezdrátového přenosu dat počítá s využitím obousměrného rádiového modemu. Modem CP pracuje v kmitočtovém pásmu 868 MHz a disponuje výkonem až 1W (30dBm). Jedná se o modem, který je schopen pracovat až se sedmi kanály a maximální přenosovou rychlostí až 38,4 kb/s. Pro modulaci vysílaného signálu lze využít FSK (Frequency Shift Keying), GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) nebo čtyřstavovou GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). K modemu je připojena půlvlnná všesměrová prutová anténa se ziskem 2dBi.
Komunikace mezi CP a centrálním uzlem probíhá v síti typu ad-hoc. Uzly jsou schopny komunikovat také mezi sebou a umožnit tak zvýšení dosažitelné vzdálenosti nebo přenosové rychlosti. Použitý směrovací algoritmus je proaktivního typu. Každý prvek sítě si udržuje směrovací tabulku a k její změně dochází pouze při změně topologie. Předpokladem je, že topologie se bude měnit minimálně nebo vůbec. Takové řešení má výhodu zejména z pohledu minimalizace počtu servisních informací nutných k směrování v síti. Největší nevýhodou je kolize s automatickým uspáváním jednotlivých uzlů sítě. Informace pro obnovu směrovacích tabulek se tedy bude šířit pouze v přesně stanovených oknech. Předpokládá se, že toto nastane pouze při prvotní inicializaci sítě. V případě, že je uzel sítě nedostupný, vysílání dat nebo směrovacích informací se odloží na okamžik dalšího plánovaného okna. Vlastností této metody je teoreticky dlouhá doba nutná k navázání spojení a přenesení servisních nebo měřených dat. Vzhledem k určení celého komunikačního systému, však takové zpoždění nehraje významnou roli. I kdyby mělo toto zdržení znamenat týdenní prodlevu, stále se jedná o zanedbatelnou dobu z pohledu celkové doby nasazení systému v autonomním režimu (min. 9 měsíců). Důležité je také dodat, že interní hodiny jednotlivých uzlů jsou při každé komunikaci synchronizovány z hodin centrálního uzlu, které jsou řízené GPS signálem.
Konkrétně je pro směrování v síti implementován protokol DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector). Každý uzel v síti si vytváří tabulku s cestou k následujícímu uzlu, metriku cesty a speciální datovou sekvenci vytvořenou cílovým uzlem. Sekvenční čísla zajišťují rozlišení nestabilních cest a také odstraňují nebezpečí smyček. Každý uzel v našem případě rozesílá směrovací informace na základě různých typů událostí (počáteční spuštění, start po výpadku napájení apod.) [9].
Pro řízení přístupu k médiu je využito interních funkcí rádiového modemu, který využívá protokol MACA-BI (Multiple Access Collision Avoidance—by Invitation). MACA-BI je protokol, kde řízení přístupu k médiu je řízeno příjemcem. Schéma komunikace je označováno jako (RTR-DATA). Nejprve je z uzlu, který je příjemcem, odeslán paket RTR (Ready to Receive) a následně odesílatel začne s odesíláním datového paketu. Protože odesílatel nemůže začít s vysíláním v případě, že nebyl řídicím uzlem vyzván, je v centrálním uzlu implementován algoritmus predikce komunikace. Jednoduše se jedná o tabulku s periodickým dotazováním jednotlivých CP. Proces zajištění přístupu k médiu je řízen centrálním uzlem Bender III.2 jednak proto, že disponuje větším výpočetním výkonem a větší zásobou energie a zadruhé proto, že bez běžícího centrálního uzlu je komunikace jednotlivých CP zbytečná. Tento přístup tedy značně šetří drahocennou energii. Pokud je nutný jeden nebo více přeskoků k dosažení dotazovaného CP, mezilehlé uzly přejímají dočasně funkci centrálního uzlu [9].
Závěr
Poslední verze komunikačního systému byla důkladně modifikována na základě souhrnu poznatků a zkušeností se všemi předchozími verzemi a jejich reálným provozem na antarktické stanici. Výdrž systému byla maximálně zvýšena při běhu z baterií pomocí úplného vypínání systému na různě dlouhé intervaly dle potřeby spouštění jednotlivých služeb a operací. Řídicí deska slouží pro plánování běhu a správu celého systému, avšak obsluha napájení a časování zapínání se plně přesunula do napájecí desky. V následujících verzích systému plánujeme provádět pouze úpravy řídicího software a případné rozšiřování pomocí externích doplňků.
Návrh komunikačního systému pro komunikaci v rámci stanice byl odzkoušen v laboratorních podmínkách. V současné verzi systému Bender III.2 ještě není zahrnut z důvodu nutnosti dalšího provozního testování a ověření parametrů v náročných povětrnostních podmínkách. Předpokládané uvedení do provozu je v dalším termínu odeslání vybavení na stanici. To se pravděpodobně uskuteční na podzim 2013.
Tento příspěvek vznikl za podpory grantu SGS12/144/OHK3/2T/13. Autoři by rádi poděkovali projektu Masarykovy univerzity „CzechPolar - Czech Polar Stations: Construction and management", LM2010009, podpořeného grantem MŠMT.
Literatura
[1] Šafránek, M. - Kocur, Z. - Neruda, M.: Datové přenosy u polárního kruhu. Access server [online]. 2009, roč. 7., č. 200904, s. 0001. http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009040001. ISSN 1214-9675.
[2] Zavrtálek, J. - Neruda, M.: Víceúčelové zařízení pro zajišťování spolehlivé funkce systému pro komunikaci a sběr dat na české polární stanici. Access server [online]. 2009, roč. 7., č. 200902, s. 0002. http://access.fel.cvut.cz/view.php?&cisloclanku=2009020002. ISSN 1214-9675.
[3] Kocur, Z.: Systém pro sběr dat a komunikaci české polární základny. Access server [online]. 2009 [cit. 2012-11-16]. http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009010003.
[4] Neruda, M. - Kocur, Z. - Burčík, J.: Data Transfer Optimalization via Inmarsat Satellite Network. In TSP - 32nd International Conference on Telecommunications and Signal Processing [CD-ROM]. Budapest: Asszisztencia Szervező Kft., 2009, ISBN 978-963-06-7716-5.
[5] Kocur, Z. - Kozák, M. - Neruda, M. - Boháč, L.: Analyzing of Data Flows at Czech Antarctic Station. In TSP 2010 - 33rd International Conference on Telecommunications and Signal Processing [CD-ROM]. Budapest: Asszisztencia Szervező Kft., 2010, p. 219-221. ISBN 978-963-88981-0-4.
[6] Kocur, Z. - Neruda, M. - Boháč, L.: Optimization of TCP Satellite Communication in Inmarsat Network. In The Sixth International Conference on Wireless and Mobile Communications (ICWMC 2010) [CD-ROM]. Piscataway: IEEE, 2010, p. 544-548. ISBN 978-0-7695-4182-2.
[7] Machula, V. - Kozák, M. - Neruda, M.: Inteligent Power Supply Unit for the Communication System of the Czech Antarctic Station. [Funkční vzorek]. 2011.
[8] Machula, V. - Neruda, M. - Šafránek, M.: Autonomous Measurement and Communication System Development Methodology. In 13th International Conference on Research in Telecommunication Technologies 2011 [CD-ROM]. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2011, p. 66-69. ISBN 978-80-214-4283-2.
[9] SARKAR, Kumar, T BASAVARAJU, C PUTTAMADAPPA a PUTTAMADAPPA. Ad hoc mobile wireless networks: principles, protocols, and applications. New York: Auerbach Publications, c2008, xix, 312 p. ISBN 14-200-6221-2.
Komunikační systém pro českou antarktickou stanici Johann Gregor Mendel
