Diagnostika a dálkové monitorování FSO spoje

Diagnostický modul

Optický spoj volným prostorem – FSO (Free-Space Optics), který byl realizovaný na základě modifikovaného otevřeného projektu RONJA, byl představen v článku [1]. Jedním z hlavních rozšíření původního projektu byl návrh a implementace vlastního diagnostického modulu, pomocí kterého lze dálkově monitorovat základní charakteristiky spoje, graficky vykreslit popřípadě stahovat naměřené výsledky, provádět detailní nastavení apod. Diagnostický modul umožňuje dálkově sledovat přijímaný signál - RSSI (Receive Strength Signal Indicator), teplotu uvnitř i vně zařízení, pomocí periodického testování příkazem ping monitorovat ztrátovost přenosu (dostupnost spoje) a zpoždění při přenosu a vytvářet krátkodobý časový sběr naměřených hodnot. Obslužný program (firmware) diagnostického modulu lze dále upravovat a modifikovat a nově vytvořenou verzi vzdáleně nahrát přes síť, čímž lze dále vylepšovat jeho vlastnosti a rozsah měřených a sledovaných parametrů. Hlavním smyslem realizace pojítka s diagnostickým modulem je průběžné sledování parametrů prostředí v závislosti na atmosférických vlivech.

Vlastní diagnostický modul je uložen společně s přijímačem přímo v jednom z tubusů pojítka. Základní funkční části modulu jsou schematicky znázorněny v blokovém schématu na obr. 1.

Obr. 1: Schéma navrženého diagnostického modulu.

Základním prvkem je osmibitový mikropočítač Micropchip PIC18F67J60. Mikropočítač je taktován oscilátorem na maximální frekvenci 41,7 MHz a je k němu rovněž připojen hodinový krystal o frekvenci 32,768 kHz pro udržení správného času a synchronizace. Použitý mikropočítač má již v sobě integrovanou fyzickou vrstvu pro rozhraní Ethernet 10BASE-T a nepotřebuje tak žádné další speciální obvody pro realizaci síťového připojení. Jediným přidaným prvkem pro schopnost komunikace prostřednictvím rozhraní Ethernet je přijímací/vysílací filtr s implementovaným symetrizačním a oddělovacím transformátorem. K mikropočítači je rovněž připojena dodatečná paměť typu EEPROM Microchip 25LC256 o velikosti 256 kbit pro ukládání naměřených dat a softwarového vybavení modulu. Paměť je k mikropočítači připojena prostřednictvím univerzálního sériového rozhraní SPI (Serial Peripherial Interface) pro obsluhu periférií.

Mikropočítačem je rovněž řízen blok pro regulaci napájení vnitřního vyhřívání čoček obou tubusů pro zabránění jejich zamlžení či zamrznutí. Jako jednoduchý zobrazovací prvek, informující o aktuální úrovni přijímaného optického signálu z protilehlého konce spoje, slouží posuvný indikátor s osmi LED diodami a dvěma tlačítky pro nastavení měřeného rozsahu (citlivosti) a pro obnovení výchozího nastavení. Posledním blokem je trojice digitálních teplotních čidel typu DS18B20, která jsou k mikropočítači připojena pomocí rozhraní 1-WIRE (jednoduchá sériová sběrnice sloužící obvykle pro připojování různých čidel). V každém tubusu je umístěno jedno z čidel (tedy jedno ve vysílači, jedno v přijímači) a poslední čidlo je vyvedeno ven pro měření vnější teploty. Pro napájení čidel je použito samostatného napájecího vývodu, neboť potřebné napájení je jednoduše dostupné ve všech důležitých částech všech modulů.

Použitý 10-ti bitový A/D převodník mikropočítače zprostředkovává převod úrovně přijímaného optického signálu RSSI (rozsah hodnot RSSI je tedy 0-1023). Mimoto převodník rovněž slouží pro ovládání napájení pro zajištění vyhřívání čoček obou tubusů. Pro připojení mikropočítače k lokální síti typu Ethernet byly navíc implementovány dodatečné impedanční a oddělovací transformátory, které díky lepšímu impedančnímu přizpůsobení a symetrizaci vůči zemi umožňují použití delších přívodních datových kabelů, což významnou měrou zjednodušilo konečnou instalaci pojítek. Veškeré datové, napájecí a signalizační vstupy a výstupy nejen diagnostického modulu, ale i modulů vysílače a přijímače, byly vyvedeny na centrální svorkovnici.

Uživatelské rozhraní

Softwarové vybavení diagnostického modulu může být téměř libovolné a je omezené pouze velikostí interní flash pamětí mikropočítače. Základem softwarové realizace je jednoduchý bootloader, který umožňuje vzdáleně pomocí protokolu TFTP (Trivial File Transfer Protocol) nahrávat do mikropočítače nový firmware. Bootloader je schopen použít libovolnou IP adresu nastavenou pomocí uživatelského rozhraní a umožňuje tak jednoduchou aktualizaci firmwaru odkudkoliv ze sítě. Současná verze obslužného softwaru obsahuje pokročilé grafické rozhraní, umožňující vzdálené monitorování, diagnostiku a nastavování některých parametrů spoje. V mikropočítači je spuštěn samostatný HTTP server poskytující webové rozhraní společně s grafickou nadstavbou obsahující sofistikované rozhraní. Pro realizaci webového serveru byl použit TCP/IP stack (sada knihoven zajišťujících potřebné funkce a jejich obsluhu) od firmy Microchip, který zprostředkovává veškerou potřebnou obsluhu na všech vrstvách referenčního modelu RM-OSI.

Aktuální verze grafického rozhraní obsahuje čtveřici základních nabídek – Stav, Nastavení, Systém a Kalibrace. Záložky Nastavení, Systém a Kalibrace jsou dostupné pouze v případě přihlášení platným uživatelským jménem a heslem zejména z důvodu zabezpečení jejich obsahu. Obr. 2 představuje ukázku kompletního obsahu celé čtveřice uvedených záložek.

Obr. 2: Ukázka obsahu čtveřice záložek.

Z obr. 2 vyplývá, že záložka Stav obsahuje aktuální údaje o stavu optického spoje, jeho parametrech a v dolní části okna je pak možnost graficky vynést jejich časové průběhy. Mezi měřené veličiny patří zejména aktuální hodnota RSSI a její časový průběh, relativní útlum prostředí a jeho časová závislost (relativní proto, že kalibrace spoje byla provedena pro instalovanou vzdálenost cca 120 metrů a je proto měřena pouze relativní hodnota útlumu daného prostředí vztažená k situaci, kdy byla provedena kalibrace při nejlepších možných podmínkách, kterým odpovídá hodnota 0 dB), trojice teplot a jejich časový vývoj (teplota v přijímači Rx, vysílači Tx a venkovní teplota), zpoždění a ztrátovost a jejich časová závislost. Všechny uvedené parametry jsou vyhodnocovány v krátkých časových intervalech a jejich hodnoty se při aktualizaci okna prohlížeče neustále obnovují. S ohledem na omezenou velikost instalované paměti určené pro ukládání naměřených výsledků však není reálné ukládat všechny hodnoty v takto krátkých intervalech, proto je do paměti uložena vždy jedna hodnota za delší časový úsek daná jako průměr hodnot měřených v sekundových intervalech a takto zprůměrovaná hodnota je posléze i použita pro vykreslení grafu její časové závislosti. Tato doba průměrování lze volitelně nastavit v záložce Nastavení a aktuálně je její hodnota 150 sekund, což umožňuje v paměti uchovávat výsledky za zhruba 2 dny. Paměť je neustále přepisována novými hodnotami a funguje tak v podstatě jako fronta v režimu FIFO (First In, First Out).

Měření dostupnosti spoje (ztrátovost přenášených rámců Ethernet) a zpoždění při přenosu je realizováno prostřednictvím smyčky příkazu typu ping na protější stranu spoje a vyhodnocováním přijímaných odpovědí z protilehlého konce. Zpoždění vlastního FSO spoje lze předpokládat minimální, do celkové doby zpoždění se však promítne i čas mikropočítače nutný pro zpracování dotazu a zaslání odpovědi. Datum a čas zobrazený v příslušném poli je získáván pravidelně z nastaveného NTP serveru, čímž je zajištěna i vzájemná synchronizace pojítek na obou koncích.

Zřejmě nejdůležitější částí záložky Stav je spodní okno, kde je vykreslován vlastní časový průběh zvolené veličiny (případně několika z nich). V levé horní části lze pomocí zaškrtávacích políček zvolit, která měřená veličina (veličiny) má být v grafu vynesena. V grafu je pak daná volba vynesena barevně odlišenou křivkou, po které se lze pohybovat pomocí kurzoru myši a v pravém horním rohu grafu je pak zobrazena její aktuální hodnota ve zvoleném čase. Přidržením levého tlačítka myši a tažením kurzoru ve směru horizontálním nebo vertikálním lze vybrat jen určitý výřez z celkového průběhu, pro návrat do původního stavu slouží dvojklik levým tlačítkem kdekoliv v zobrazovaném okně grafu. Uvedená grafická aplikace sloužící pro vykreslování grafů je založena na technologii Java (Java skripty) a je podporována ve většině současných prohlížečů (v některých verzích MS Internet Explorer se nemusí korektně zobrazit graf). Naměřené hodnoty lze jednak zobrazit pomocí výše popsaných grafů, je však možné je rovněž vyexportovat a uložit do souboru typu csv pro jejich zpracování např. pomocí programu Matlab či MS Excel.

Další záložky jsou již dostupné pouze v případě úspěšné autorizace uživatele. V záložce Nastavení lze provádět některá detailní nastavení týkající se síťového rozhraní, diagnostického modulu, způsobu ukládání naměřených hodnot a to jak pro jejich vynášení do grafů, tak i pro export do souboru. Záložka Systém slouží jako podrobný konzolový (textový) výpis aktuálního stavu a parametrů pojítka (podrobnější a obsáhlejší seznam systémových parametrů), je zde možnost nahrát nový ovládací firmware, restartovat pojítko apod. Poslední záložka s názvem Kalibrace slouží pro kalibraci měření RSSI a jejího přepočtu na hodnotu útlumu. Kalibrace pojítka je prozatím řešena manuálně pomocí systému clon (např. clona zakrývající polovinu čočky přijímače představuje útlum 3 dB, clona překrývající tři čtvrtiny pak 6 dB apod.), kdy při použití dané clony je změřeno několik hodnot RSSI při daném stupni zaclonění čočky přijímače, z nichž je následně určena samotná kalibrační křivka sloužící pro přepočet hodnoty RSSI na útlum v dB. Kalibrační křivka byla posléze aproximována a parametrizována pomocí Matlabu. Do budoucna je plánováno implementovat pokročilejší systém automatické kalibrace a její rekalibrace v závislosti na měnících se atmosférických podmínkách.

Ukázka naměřených průběhů

Uvedené uživatelské rozhraní bylo zprovozněno na přelomu srpna a září letošního roku, proto není prozatím k dispozici mnoho naměřených průběhů pro různé situace a stavy počasí – sněžení, mlha, hustý déšť a podobně. Nicméně několik závěrů a příkladů lze již prezentovat.

V termínu 10.-14. září 2011 bylo několik téměř letních dnů s nulovou oblačností, beze srážek a s vysokými teplotami. Pro porovnání jsou uvedeny na následujícím obrázku průběhy naměřených hodnot RSSI a teploty vzduchu na straně FSO spoje umístěné na střeše Fakulty elektrotechnické.

Obr. 3: Průběh RSSI a teploty vzduchu v termínu 10.-14. září 2011.

Ze vzájemného porovnání obou průběhů vyplývá, že průběh RSSI kopíruje křivku teploty vzduchu. Na obou křivkách je patrné, že maximálních hodnot bylo dosaženo v poledních a časně popoledních hodinách, kdy slunce svítilo nejintenzivněji a teplota byla tak nejvyšší. Naopak s postupem času obě křivky vykazují sestupnou tendenci a mezi půlnocí a zhruba šestou hodinou ranní vykazují shodně minima. Vysvětlení tohoto jevu vychází pravděpodobně ze skutečnosti, že v nočních a ranních hodinách dochází v období konce léta a začátku podzimu ke kondenzaci vodních par v ovzduší, vytváří se rosa a případně i lehký vodní opar, díky kterému pak dochází k rozptylu procházejícího světelného paprsku na drobných částicích vody v ovzduší. Naopak v průběhu poledních hodin intenzivní sluneční svit a vysoké teploty tuto vlhkost v podstatě téměř eliminují a zajistí tak minimální ztráty způsobené rozptylem na těchto mikročásticích a naměřené hodnoty RSSI jsou tím pádem nejvyšší.

Obr. 4: Krátkodobé přerušení optického paprsku.

Na obr. 4 je zachyceno krátkodobé přerušení optického paprsku mezi oběma pojítky. S ohledem na předchozí popis, kdy hodnoty v grafu vycházejí z průměru naměřených hodnot RSSI pro delší časový úsek (aktuálně 150 sekund), není krátkodobé přerušení paprsku detekováno zcela nulovou hodnotou RSSI. V tomto případě se lze zřejmě pouze domnívat, čím byl tento krátkodobý pokles RSSI (výpadek) způsoben, nicméně s ohledem na skutečnost, že na ochozech obou stran (jak Fakulty elektrotechnické, tak i Fakulty strojní) se pohybuje poměrně početná komunita ptáků a často přelétávají právě mezi oběma ochozy, lze se oprávněně domnívat, že přerušení optického svazku mezi oběma pojítky má na svědomí jejich početnější hejno, které zřejmě několikrát po sobě protnulo jeho dráhu.

Následující ukázka ilustruje možnost exportu naměřených hodnot do samostatného souboru a jejich následné zpracování pomocí programů Matlab či MS Excel. Uvedená ukázka byla naměřena v termínu 14.-17. listopadu 2011, kdy byla celá oblast dlouhodobě ponořena do velmi husté mlhy, ke které se přidal i smog, kouř a vysoká koncentrace prachových částic v ovzduší v důsledku inverzní situace.

Obr. 5: Situace z období 14.-17.11. 2011, kdy převládalo silně inverzní počasí s hustou mlhou.

Z naměřeného průběhu je jasně patrné, že hustá mlha navíc v kombinaci se smogem a prachovými částicemi v ovzduší na dlouhou dobu v podstatě vyřadila sledovaný FSO spoj z provozu. V měřeném období ještě nebylo k dispozici měření ztrátovosti a dostupnosti spoje, nicméně při nulových a obecně nízkých hodnotách RSSI (obecně zhruba v pásmu 0-8 RSSI) je konkrétně uvedený FSO spoj nefunkční a lze tak oprávněně předpokládat, že spojení mezi oběma konci bylo po většinu času přerušeno. Při takto silné koncentraci vodních par v ovzduší (mlha) navíc v kombinaci s pevnými prachovými částicemi a kouřem (smogem) dochází k výraznému rozptylu optického paprsku a i na relativně krátké vzdálenosti 120 metrů dochází k téměř totálnímu rozptylu svazku a žádná či pouze minimální část jeho původního optického výkonu je zachycena na protilehlé příjímací straně.

Realizovaný optický spoj pracuje ve viditelném pásmu v okolí vlnové délky 650 nm (červená barva), zatímco optické systémy FSO pracující na delších vlnových délkách v infračerveném pásmu vykazují o něco nižší závislost na takto výrazně zhoršených přenosových podmínkách. Nicméně v takovéto situaci by pravděpodobně i takový FSO systém nebyl schopen pracovat, či by pracoval pouze ve velmi omezeném režimu. V praxi se pro tyto situace, kdy spoj pomocí technologie FSO není schopen díky zhoršeným přenosovým podmínkám plnit svou funkci, obvykle využívají záložní systémy pracující např. v rádiovém pásmu (mikrovlnná pojítka), které zajistí úplné nebo alespoň částečné nahrazení FSO spoje v případě podobného výpadku.

Vliv slunečního záření na spoj

Jinou zajímavou zkušeností z provozu FSO pojítek a měření parametrů spoje je vliv slunečního záření na přenosové parametry. Ze spektrální vyzařovací charakteristiky Slunce společně se spektrální charakteristikou útlumu atmosféry vyplývá, že intenzita slunečního záření při zemském povrchu dosahuje svého maxima v pásmu vlnových délek zhruba 500-600 nm, přičemž v okolí vlnové délky 650 nm, použité v případě uvedeného FSO systému, je jeho intenzita jen o málo menší, než v případě maxima uvedených charakteristik. Sluneční záření představuje dodatečný zdroj rušení při přenosu optického paprsku volným prostorem, při kterém dochází jednak k interferenci optického paprsku FSO systému se slunečními paprsky a rovněž v případě, kdy sluneční záření dopadá na fotodetektor v přijímači FSO, projeví se jako přídavný šum na pozadí, který zvyšuje celkovou úroveň rušení a šumu. V případě vysoké intenzity dopadajícího slunečního záření na přijímací straně může dojít až k přebuzení a oslepení fotodetektoru (případně až jeho zničení) a takto zasažený FSO systém může být na dlouhou dobu vyřazen z činnosti. Možnou ochrannou proti uvedeným jevům je použití spektrálních filtrů či polarizačních filtrů, které se v podobě tenkých fólií (filmů) nanášejí na čočku přijímače, případně dodatečné mechanické sluneční clony a kryty a základem je rovněž směrovat FSO spoje, již ve fázi jejich instalace, mimo trajektorii působení slunečního záření.

Strana FSO spoje, prezentovaného v tomto článku a umístěná na ochozu Fakulty strojní, je namířena částečně jihovýchodním až jižním směrem na protější blok Fakulty elektrotechnické. Spoj na straně Fakulty strojní je však umístěn o něco výše, hlavice pojítka jsou proto skloněny a směřovány částečně dolů. Navíc byl na obě hlavice připevněn rozměrný sluneční kryt, polarizační ani spektrální filtry však nebyly použity. V letních a podzimních měsících, kdy se slunce nachází prakticky po většinu dne vysoko nad horizontem, nebyly zaznamenány z této strany žádné problémy. S příchodem zimního slunovratu se však sluneční dráha postupně dostává stále níž nad horizont a bylo proto možné zaznamenat situaci, která je znázorněna na obr. 6.

Obr. 6: Vliv slunečního záření v období 10.-13.12. 2011.

Z ukázky naměřeného průběhu RSSI v období 10.-13.12. 2011 pro stranu spoje umístěnou na Fakultě strojní je dobře patrné, že ve dnech 11.12. a 13.12. v časných dopoledních hodinách dopadaly intenzivně sluneční paprsky do přijímače a způsobily tak jeho úplné oslepení v důsledku přebuzení použitého fotodetektoru trvající zhruba 6 minut. Naopak dne 10.12. byla od ranních hodin částečně zatažená obloha, vliv slunečních paprsků je proto zanedbatelný s výjimkou času mezi 8:56-8:58, kdy na krátký okamžik se zřejmě sluneční svit dostal mezi mraky. Dne 12.12. byla po celý den zcela zatažená obloha, proto na naměřeném průběhu není znatelný žádný vliv slunečního rušení. V uvedeném období 10.-13.12. není na přijímači na straně Fakulty elektrotechnické, který je namířen směrem na sever až severozápad, patrný žádný výpadek či nižší hodnota RSSI, lze se proto oprávněně domnívat, že popsaná situace je skutečně zapříčiněna dopadem slunečního záření na přijímač FSO na straně Fakulty strojní umístěný ve směru sluneční trajektorie.

Závěr

Prezentované rozhraní diagnostického modulu je volně dostupné na adrese: Ronja FEL pro stranu umístěnou na ochozu Fakulty elektrotechnické a Ronja FS pro stranu nacházející se na ochozu Fakulty strojní (v případě vypnutí cookies v prohlížeči lze také použít domény: ronja.feld.cvut.cz:8080 a ronja.feld.cvut.cz:8081) a umožňuje tak pomocí www prohlížeče monitorovat aktuální stav optického spoje včetně grafického vyjádření časového vývoje jeho důležitých parametrů. Představený modul umožňuje získávat výsledky, které mohou být využity pro potřeby výzkumu jevů ovlivňujících atmosférický útlum, jeho závislost na aktuálním stavu počasí a chování optického paprsku při průchodu atmosférou při různých situací a hodnotách atmosférického útlumu. Současná verze grafické nadstavby a celého rozhraní prošla postupně dlouhodobým vývojem, nicméně se dále předpokládá dokončení některých plánovaných funkcí a dodatečných úprav. Obdobný systém vzdáleného monitorování a měření základních charakteristik bude rovněž implementován do zamýšleného návrhu a realizace levného a dostupného optického pojítka pro kratší a střední vzdálenosti s přenosovou rychlostí 100 Mbit/s či vyšší.

Použité zkratky

FSO (FSO Link)	Free Space Optics (FSO Link)	Optický přenos (spoj) volným prostorem
RONJA	Reasonable Optical Near Joint Access	Otevřený projekt FSO pojítka RONJA
RSSI	Receive Strength Signal Indicator	Úroveň přijímaného signálu
SPI	Serial Peripherial Interface	Sériové rozhraní pro obsluhu periférií
TFTP	Trivial File Transfer Protocol	Jednoduchý protokol pro přenos souborů
	Bootloader	Zavaděč (spouštěč samotného systému)
	Stack	Balík knihoven pro obsluhu dané funkce
FIFO	First In, First Out	Typ fronty (paměti) se zápisem na poslední pozici a uvolněním první pozice paměti
NTP	Network Time Protocol	Protokol pro distribuci času a synchronizaci zařízení v sítích

Literatura

[1] BAKALA, B., LAFATA, P.: Rozšíření funkcionality optického pojítka. Access server [online]. 2010, roč. 8, č. 201012, [cit. 2012-01-01]. Dostupný z WWW: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2010120004. ISSN 1214-9675.