Článek se zabývá vlastnostmi a funkcemi zařízení zhotoveného pro řízení a zajištění funkčnosti komunikačního systému na české polární základně v Antarktidě. Podrobněji jsou rozebrány jednotlivé části zařízení včetně podmínek jeho provozu.
Multipurpose Device for Maintaining Reliable Function of Communication and Data Collecting System at Czech Polar Station in Antarctica - Abstract
This paper is focused on features and functions of device, which was constructed for control and surveillance of communication system localized at Czech polar station in Antarctica. It further describes individual parts of the device including operating conditions.
Keywords: data communication; control system
Zařízení nazvané Watchdog tvoří řídící, kontrolní a napájecí část systému nazvaného „Bender I“, který je určen k celoročnímu sběru dat a realizaci připojení k Internetu české polární základny v Antarktidě na ostrově Jamese Rosse.
Watchdog je zodpovědný za kontrolu a sestavování spojení mezi satelitním terminálem, routery a MiniPC, které zajišťují sběr a odesílání dat na server do ČR. Watchdog rovněž kontroluje správnou funkci těchto zařízení. V případě detekce problému je odpovědný za aktivaci záložních obvodů, případně restart problémového obvodu nebo celého systému. Jednotlivá zařízení jsou vystavována extrémním mrazům a zároveň po zahřátí také kondenzaci vody. Je tedy nutné očekávat snížení jejich spolehlivosti, což je ošetřeno zdvojením kritických částí systému a kontrolou jejich činnosti Watchdogem.
Zařízení dále zajišťuje korektní zapínání a vypínání ve stanovených intervalech, vzdálené ovládání a sledování chování všech částí systému Bender I. Umožňuje také vzdálené spuštění celého systému pomocí satelitního telefonu.
Na polární základně jsou velmi omezené zdroje energie, mezi které patří solární, akumulátorová a větrná energie. Watchdog musí pracovat v nepřetržitém režimu 24/7/365, proto je jeho příkon optimalizován na hodnotu kolem 100 mW, která zbytečně nezatěžuje dostupné zdroje energie. Rozsah pracovních teplot je definován mezi -40°C a +40°C s vysokým stupněm odolnosti proti kondenzaci vody. Napájecí zdroj Watchdogu zajišťuje výrobu napájecích napětí 12 V a 5 V určených pro napájení přidružených zařízení ze vstupního napětí, které se může pohybovat v rozsahu 12 až 60 V. Tento široký rozsah napájecích napětí umožňuje připojení ke zdroji napětí 48 V, které je vyráběno větrnou elektrárnou. V případě špatných větrných podmínek lze napájení realizovat akumulátory a solárními články, které jsou 12-ti voltové.
Obr. 1 Obvodové bloky Watchdogu a jejich připojení k ostatním zařízením.
Watchdog je složen z několika částí (viz. obr. 1):
- Spínaný zdroj napájení 12 až 60 V / 12 V, 3 A s účinností až 88%.
- Lineární zdroj napájení 5 V, 1 A.
- Řídící část s mikrokontrolérem AT89C4051 a obvody periferií.
- Dvojitý přepínač rozhraní Ethernet 10 Mbit/s (přepínání realizováno signálovými relé).
- Přepínač vedení sériového rozhraní RS-232.
- 7 polovodičových spínačů napájení.
- 2 relé s přepínacími kontakty.
- 5 vstupů s ochrannými obvody.
Obr. 2 Jednotlivé bloky programu.
Výše popsané funkce a ovládání jednotlivých částí zařízení zajišťuje program řídícího mikrokontroléru. Řídicí program je rozdělen do několika bloků, které jsou znázorněny na obr. 2. Každý blok je tvořen samostatným kódem, který realizuje definovanou činnost Watchdogu. Tento způsob členění programu napomáhá k jeho snadnější čitelnosti, výrazně tak ulehčuje diagnostiku chování Watchdogu a napomáhá při změnách a aktualizaci kódu.
Blok "Hodiny" zajišťuje měření času, probouzení a vypínání jednotlivých zařízení systému Bender I ve stanovených intervalech.
Blok "Řízení PC" zajišťuje zapínání a vypínání MiniPC v jakémkoliv okamžiku. MiniPC funguje pod operačním systémem Windows XP Embedded, a proto je nutné, aby bylo korektně zapínáno a vypínáno. V programu je rovněž ošetřen případ neúspěšného startu a náhlého vypnutí MiniPC.
Blok "Příjem vyzvánění telefonu" zajišťuje diagnostiku počtu zazvonění telefonu, pomocí něhož je možné probudit systém Bender I nebo nastavit čas hodin samočinného probouzení. Nastavení času hodin umožňuje naplánovat pravidelné probouzení celého systému a odesílání dat ve stanovený čas.
Blok "Vstupy a testy" zajišťuje rozpoznávání stavu vstupů a jejich následné vyhodnocení.
Blok "Výstupy" zajišťuje zapínání a vypínání napájení zařízením, přepínání rozhraní Ethernet, přepínání sériového rozhraní RS-232 a spínání reléových spínačů. Propojení Watchdogu s ostatními zařízeními je znázorněno na obr. 3.
Obr. 3 Propojení Watchdogu s ostatními zařízeními systému Bender I.
Blok programu "Hlavní smyčka" zajišťuje součinnost všech bloků programu a vyhodnocuje stav celého systému Bender I. Činnost programu hlavní smyčky je navržena jako stavový automat. Podle předem stanovených schémat jsou prováděny různé akce (zapínání, vypínání, restartování zařízení, přepojování vedení na záložní okruh, trvalé odpojení špatně fungujícího zařízení, atd.) tak, aby byla zajištěna automatická činnost systému Bender I i při poruše jakéhokoliv zařízení.
Blok "Komunikace" umožňuje vzdálené sledování stavu všech zařízení Bender I a uživatelské nastavení Watchdogu. Komunikace probíhá pomocí terminálového připojení, které je možné navázat po připojení Bender I k Internetu.
Na obr. 4 je vývojový diagram znázorňující chování Watchdogu po zapnutí napájení a hlavní smyčku programu.
Obr. 4 Vývojový diagram hlavní smyčky programu.
Na obr. 5 je zobrazena finální podoba obvodové realizace Watchdogu na funkčním vzorku.
Obr. 5 Finální podoba Watchdogu.
Celý systém byl uveden úspěšně do provozu v prosinci 2008. V roce 2009 se připravuje vývoj druhé, zdokonalené verze, která bude realizována na základě zkušenosti s provozem systému Bender I.
Příspěvek vznikl za podpory Výzkumného záměru MSM6840770038 - Rozhodování a řízení pro průmyslovou výrobu III.
Víceúčelové zařízení pro zajišťování spolehlivé funkce systému pro komunikaci a sběr dat na české polární stanici
