Ренат Б. Салихов, Вали Х. Абдрахманов, Константин В. Важдаев
Физико-технический институт Башкирского государственного университета
Уфа, Россия
Аннотация – Представлена идея разработки автоматизированной системы для мониторинга состояния и управления температурным режимом, климатом и теплопотреблением в помещениях. Разработанная система реализуется на самой современной элементной базе, используемой для построения устройств с Ethernet-интерфейсом, многофункциональна, легко перестраивается под конкретные применения и оптимальна с точки зрения затрат на ее реализацию.
Ключевые слова – системы отопления, энергоресурсосбережение, автоматизация зданий, мониторинг режимов, управление теплопотреблением, управление климатом, погодные регуляторы, Ethernet контроллер, MAC, PHY, стек протоколов TCP/IP, M-Bus.
I. Введение
В целях повышения энергосбережения (в жилых помещениях) или в технологических целях (например, в теплицах) часто необходимо поддерживать требуемый температурный или климатический режим в помещении. Обычно в таких устройствах имеется индикация параметров (температуры, влажности) и интерфейс пользователя в виде небольшого графического либо алфавитно-цифрового дисплея и какой-то функциональной клавиатуры, ручки регулятора температуры или влажности. Также бывает необходимо дистанционно отслеживать параметры или управлять устройством дистанционно – например, менять температурный режим, программу функционирования по дням недели. Представляемые в статье идеи по разработке автоматизированной системы для мониторинга состояния и управления температурным режимом, климатом и теплопотреблением в помещениях являются примером реализации Интернета Вещей (Internet of Things) в Умном городе (Smart City) [1].
Решение проблем энергоресурсосбережения возможно путем повсеместного внедрения современных автоматизированных систем мониторинга и управления (АСМУ) теплопотреблением зданий [2].
Существующие пилотные решения АСМУ отоплением и распределенных информационно-управляющих систем приборного учета [2 – 7] выполняются с помощью коммутируемых линий связи [2], беспроводных GSM-сетей [3], глобальных каналов Internet [4,5,7] и решают частные вопросы мониторинга состояния и удаленного управления оборудованием тепловых пунктов.
II.Обзор существующих решений
Для простых и бюджетных решений удаленного мониторинга хорошо подходит глобальная сеть Internet [4, 5], ввиду ее широкой распространенности в России (подведена практически к каждому жилому дому, жилому помещению на предприятиях и учебных заведениях) и относительной простоты реализации.
Использование обычно используемых стандартных погодных регуляторов (например, Danfoss ECL Comfort 210 [8], Siemens RVD145[9]) в составе автоматизированных систем для мониторинга не всегда эффективна поскольку
погодные регуляторы в стандартном исполнении не имеют встроенных Ethernet-контроллеров и следовательно не имеют возможности включения в локальную сеть без доработок;
экономически невыгодно из-за их относительно высокой цены, поскольку в погодные регуляторы закладывается некоторая функциональная избыточность – возможность подключения нескольких контуров отопления, горячего водоснабжения, управления газовыми котлами и т.д., а также из-за того на этом рынке работают только давно зарекомендовавшие себя известные западные фирмы (Danfoss, Siemens и др.), которые также производят также другие элементы систем автоматизации теплоснабжения (электроприводы регулирующих клапанов, датчики и др.), обеспечивают техническую поддержку своих продуктов.
При необходимости в создании устройства с возможностью подключения к сети Ethernet, возможны следующие варианты готовых технических решений:
Преобразователь RS-232–Ethernet (например NetCom 111 от VSCom [10]), обычно представляющий собой виртуальный COM-порт, преобразующий поток данных RS-232 в IP-пакеты на одном конце, и неким устройством, которое занимается приёмом и раскодированием этих пакетов, и отдающее контроллеру в виде RS-232 на
другом конце. Достоинством такого решения является простота программирования. Недостатки у такого решения – невозможность использования протоколов более высоких уровней, таких, как SNMP, HTTP и других.
Микросхема WIZNET W5100 [11], и основанный на ней Arduino Ethernet Shield . На этом контроллере уже возможно реализовать WEB-сервер или Telnet, и через них управлять встраиваемым устройством. Недостатки такого решения: невысокая гибкость (возможно использовать только те протоколы, которые заложили разработчики) и высокая стоимость, часто может быть превышающая стоимость самого управляемого устройства.
Бюджетный и удобный в применении готовый модуль Mini ENC28J60 Ethernet LAN Network Module (рис. 1) [12] на базе Ethernet-контроллера ENC28J60, с Ethernet-разъемом HR911105A (со встроенными трансформаторами гальваноразвязки и индикацией), выходным последовательным синхронным интерфейсом SPI (поддерживаемым практически любым современным контроллером). Таким образом, модуль можно подключить к любому микроконтроллерному устройству, он широко используется в устройствах на платформе Arduino. Из недостатков необходимо отменить, что модуль требует питание 3.3В, причем ток потребления немаленький – до 250ма, т.е. требуется отдельный стабилизатор на 3.3В.
Рис. 1. Модуль Mini ENC28J60 Ethernet LAN Network Module от Microchip Technology Inc.
I.Предлагаемые идеи по разработке
Также возможно реализовать подключение к сети Ethernet на базе имеющейся современной элементной базы. Для этого обычно вводят в схему дополнительно к основному контроллеру драйвер физического уровня (PHY) включенный по шине SPI, такой как микросхема ENC28J60 стандарта 10 Base-T (рис. 2), или микросхема ENC624J600 стандарта 10/100 Base-T от компании Microchip Technology Inc., или же берется контроллер семейства PIC18FXXJXX со встроенным PHY (рис.3), и программно реализуются все необходимые протоколы. При этом можно воспользоваться уже готовым стеком (существует довольно большой выбор TCP стеков для микроконтроллеров различных производителей).
Рис. 2. Типовая схема подключения ENC28J60.
Рис. 3. Типовая схема подключения PIC18FXXJXX.
На рис. 4 приведены основные блоки ENC28J60, где обозначено:
PHY – физический уровень. Приёмник, передатчик, драйверы и.т.д. В общем, всё, что необходимо для работы с определённой средой передачи данных. В данном случае – с витой парой, по стандарту 10BASE-T. Доступ к PHY происходит исключительно через MII – Medium Independent Interface. MII задуман так, чтобы следующий (канальный) уровень мог абстрагироваться от типа среды передачи данных. PHY имеет свой набор 16-битных регистров (специфичных для среды передачи данных), доступ к которым осуществляется через MII.
MAC (Medium Access Controller) – канальный уровень. В него входит вся логика, необходимая для отправки и приёма пакетов в сети Ethernet. MAC занимается адресацией, рассчётом контрольной суммы, фильтрацией принимаемых пакетов, разрешением коллизий (в полудуплескном режиме) и.т.д. Обменивается со следующим, сетевым уровнем готовыми пакетами, а с физическим – отправляемыми и принимаемыми «сырыми» байтами.
Управляющая логика занимается всем остальным. В том числе, обслуживает буфер, из которого MAC берёт отправляемые данные и складывает принятые. Управляет режимами энергопотребления и.т.д.
Рис. 4. Архитектура Ethernet –контроллера ENC28J60.
Свободно распространяемая библиотека стека протоколов TCP/IP от Microchip Technology Inc. [13] поддерживает поддержку следующих протоколов (рис. 5):
•ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DHCP, SNMP, SMTP, HTTP, FTP, TFTP;
•поддержка TCP и UDP;
•поддержка SSL;
•поддержка NetBIOS;
•поддержка DNS.
Рис. 5. Стек протоколов TCP/IP, поддерживаемый библиотекой от Microchip Technology Inc.
Имеются исходные файлы http-сервера, поддерживающего GET и POST запросы, SSL-аутентификацию и сжатие GZIP, клиент и сервер ICMP, клиент и сервер SNMP (версии 1, 2 и 3, в т.ч. SNMP TRAP), программный мост TCP2UART, сервер TELNET, клиент DynDNS, DNS, DHCP, и многое другое. При при этом, стек занимает не так много памяти. Так, реальный проект, содержащий WEB-сервер, DHCP и DNS-клиент, мост Ethernet─Serial, сервер TFTP и SNMP, клиент SMTP, потребует порядка 33 килобайта памяти программ (ROM) и 2 килобайта памяти данных (RAM), при том, что типичный размер памяти PIC18F67J60 составляет 128кб.
Кроме TCP/IP стека, Microchip предлагает следующие инструменты для разработки:
•Среда разработки. Бесплатные MPLab 8 (слегка устаревшая, но проверенная годами), или MPLab-X [14] (перспективная, но пока не слишком стабильная среда разработки).
•Компилятор. Официально поддерживаются C18, C30, и C32. Ознакомительную 60-и дневную версию можно скачать с официального сайта сайта компании.
•Программатор и (или) внутрисхемный отладчик. ICD3 или PICKIT3 (ICD2 также работает, но не поддерживается средой MPLab-X, и более медленная).
Реализация такого собственного проекта с разработкой принципиальной схемы, разводкой печатной платы, сборкой, написанием под это устройство собственного программного обеспечения, его отладкой требует достаточно больших трудозатрат. Хорошим решением в такой ситуации может быть использование отладочной платы PIC WEB-EK [15] для контроллера PIC18F97J60. Контроллер PIC18F97J60 от компании Microchip Technology Inc., специализированный, со встроенным 10Base-T Ethernet контроллером и интегрированным MAC и PHY.Физический уровень реализован в самом контроллере, т.е. развязывающий трансформатор подключается сразу на контроллер. Фактически, на одном только разъеме, кварцевом осцилляторе и микроконтроллере а также при минимальной обвязке возможно реализовать например, самодостаточный вебсервер, пригодный для многих применений в области автоматизации. Оладочная плата PIC WEB-EK может быть использована для удаленного мониторинга и управления через сеть Ethernet, поставляемые с платой исходные файлы демонстрируют ее возможности – мониторинг и управление 8-ю цифровыми выходами, управление 2-мя выходами реле, снятие показаний термодатчика (рис. 6).
Рис. 6. Типовая схема подключения PIC WEB-EK для контроллера PIC18F97J6.
Большие функциональные возможности в сочетании с относительно низкой ценой позволяют реализовать на этой плате разнообразные устройства, исключая или сводя к минимуму ее схемную доработку. Модификация устройства под требования конкретного применения может состоять только в перепрограммировании устройства, что легко осуществляется через имеющийся разъем внутрисхемного программирования ICSP с помощью практически любых программаторов или отладчиков PIC –контроллеров, например внутрисхемный отладчик PICKIT2 или PICKIT3.
Наличие на плате микросхемы часов реального времени (RTC) и разъема для батарейки позволяет задавать менять программу работы, например изменения температурного режима по календарному плану, по дням недели, вести журнал данных показаний датчиков (сохраняя данные в энергонезависимом ППЗУ, которое также имеется на плате).
Наличие выхода с протоколом 1-Wire для подключения стандартного термодатчика типа DS18B20 очень удобно, т.к. для работы в режиме погодного регулятора нужно несколько термодатчиков, измеряющих температуру в помещении, на улице, температуру теплоносителя (на батарее отопления) в нескольких местах (на входе и выходе). Количество термодатчиков в зависимости от сложности системы регулирования может быть различным, но все они могут быть подключены по одному проводу при использовании выхода по протоколу 1-Wire. Существует возможность подключения также аналоговых датчиков типа Pt1000, но для этого нужно будет использовать имеющиеся на плате выводы портов (все выводы портов выведены, т.к. плата является отладочной платой для изучения и отладки устройств на контроллерах PIC18F67J60)
Наличие 5 кнопок и стандартного 2-хстрочного дисплея типа LCD1602 позволяет реализовать индикацию параметров и интерфейс пользователя для изменения настроек – например температурного режима, программы функционирования. Наличие пьезодинамика позволит провести звуковое оповещение при появлении аварийной ситуации.
Наличие 2-х выходов реле позволяет без каких-либо доработок подключить 2 электронагревателя с током до 5 А, либо электропривод задвижки (включение с возможностью реверса), при этом нужно отметить, для работы устройства в качестве погодного регулятора в большинстве стандартных применений (например, для установки его в квартиру, дом) этого вполне достаточно. Поскольку есть 8 цифровых выводов контроллера выведенных на клеммник, то подключая туда, например, Arduino-платы реле с цифровым входом от тех же китайских производителей [16], можно легко расширять функциональность устройства.
Наличие встроенного контроллера физического уровня интерфейса RS485 (токовая петля) позволяет реализовывать на базе платы сложные многоконтроллерные системы регулирования климата больших зданий, связанные по распространенному протоколу Modbus-RTU, а также подключать разнообразные датчики по этому протоколу.Наличие на плате выхода стандартного протокола RS232 позволит включить через него теплосчетчик. Подавляющее большинство имеющихся на рынке теплосчетчиков имеют в качестве выходного протокол M-Bus [17]. Информационные сети на базе двухпроводной шины M-Bus широко используются в странах Западной и Восточной Европы для дистанционной передачи показаний со счетчиков воды, газа, тепловой и электроэнергии, установленных как в жилых зданиях, так и на промышленных объектах. Все приборы учета (счетчики) соединены параллельно двужильным витым кабелем и подключены к центральному устройству, управляющему работой сети – M-Bus мастеру. В состав любой сети M-Bus входит один мастер и один или более подчиненных устройств приборов учета (рис. 7). Например Danfoss [8] предлагает M-Bus – мастеры серии Hydro-Center на 25, 60, 250 ведомых устройств Расстояния от прибора учета до мастера могут достигать 10 и более километров. Данные передаются последовательно специальным помехозащищенным протоколом в соответствии с EN1434.
Рис. 7. Общая схема сети M-Bus.
Характерной особенностью протокола является, то что все подключаемые устройства должны питаться от сети M-Bus, что упрощает схемную реализацию оконечных ведомых устройств, но усложняет схемотехнику управляющих ведущих устройств - M-Bus – мастеров. В России протокол не получил широкого распространения, т.к. не было широкого внедрения специализированной сети для автоматизированного снятия показаний счетчиков. Теплосчетчики и вовсе в жилых домах не стоят в каждой квартире как в странах Западной и Восточной Европы, а ставятся обычно по одному на подъезд, дом. Таким образом, необходим переходник на протокол M-Bus для снятия показаний теплосчетчика. Есть простые схемные решения [17] для неудаленного подключения 2-3 устройств M-Bus через протокол RS-232.
При этом реализуется только физический уровень протокола, более высокие уровни –канальный, сетевой и другие нужно реализовать программно. Если реализовать на базе платы переходник Ethernet-RS232 с созданием виртуального порта, то можно использовать стандартные программы поставляемые в комплекте с переходниками M-Bus – Ethernet [18]. Поскольку интенсивность обмена невысока – можно задать скорость 400бод, к примеру, тогда скорости работы стека протоколов TCP/IP и реализуемого на его базе переходника Ethernet-RS232 должно быть достаточно.
I.Выводы
Проведен анализ основных тенденций развития автоматизированных систем мониторинга и управления температурным режимом, климатом и отоплением помещений. В результате, сделан вывод о целесообразности использования для связи с устройствами глобальной сети Internet. После рассмотрения основных используемых в современных системах автоматизации аппаратных и программных средств подключения к сети Интернет, были выбраны оптимальные методы решения поставленной задачи. Разработанная система реализуется на самой современной элементной базе, используемой для построения устройств с Ethernet-интерфейсом, многофункциональна, легко перестраивается под конкретные применения и оптимальна с точки зрения затрат на ее реализацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
A. Zanella, N. Bui, A. Castellani,L. Vangelista, M. Zorzi “Internet of Things for Smart Cities,” in IEEE Internet of Things J., Feb. 2014, vol. 1, no. 1, pp. 22–32.
А. Анисимов, А. Астапкович, А. Касаткин, "Системные проблемы создания распределенных информационно-управляющих систем приборного учета", Guap.ru, 2010. [Online]. Available: http://guap.ru/guap/skb/docs/article_v3.doc. [Accessed: 16- May- 2016].
"Диспетчеризация приборов учета через интернет | Система Т2", T2system.ru. [Online]. Available: http://www.t2system.ru. [Accessed: 16- May- 2016].
"Автоматизация и диспетчеризация систем теплоснабжения зданий и автоматизированные системы управления технологическими процессами", Halax.ru. [Online]. Available: http://www.halax.ru/avtomatizacija-dispetcherizacija-sistem.html. [Accessed: 16- May- 2016].
"Система мониторинга теплопотребления зданий СумДУ", Heating.sumdu.edu.ua. [Online]. Available: http://heating.sumdu.edu.ua. [Accessed: 16- May- 2016].
Загирняк М. В., Перекрест А. Л. Опыт внедрения и использования автоматизированной системы мониторинга температурных режимов и удаленного управления теплопотреблением кременчугского национального университета// Электротехнические и компьютерные системы – 2014. - № 15 (91). – С. 423 – 426.
Шестака А. И. Современные методы автоматизации зданий / А. И. Шестака, Л. В. Мельникова, В. В. Бушер // Электротехнические и компьютерные системы. – Одесса : Техника. – 2013. № 11(87).– С. 82 – 89.
"Weather Compensators - Product Range", Products.danfoss.co.uk. [Online]. Available: http://products.danfoss.co.uk/productrange/heatingsolutions/weather-compensators. [Accessed: 16- May- 2016].Controllers for district
RVD120, RVD140 Controllers for district heating and d.h.w. Basic Documentation, 1st ed. Siemens Switzerland Ltd, 2009.
"Преобразователи RS232 в Ethernet", Insat.ru. [Online]. Available: http://www.insat.ru/products/?category=949. [Accessed: 16- May- 2016].
ArduinoEthernetShield. [Online]. Available: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield
Mini ENC28J60 Ethernet LAN Network Module. [Online]. Available: http://www.ebay.com/bhp/enc28j60-module
Microchips Ethernet Portfolio. [Online] Available:
MPLAB IDE Archives. [Online]. Available:
PIC Ethernet Development Board PIC-WEB-EK. [Online]. Available: http://www.logifind.com/pic-dspic-pic32-pic24/development-boards/pic-ethernet-development-board-pic-web-ek-for-pic18f97j60-952.html
1 x One Channel Relay Module.[Online]. Available: http://www.ebay.com/itm/251961847164
The M-Bus: A Documentation Rev. 4.8. [Online]. Available: http://www.m-bus.com/mbusdoc/default.php
"M-Bus 10 – конвертер с M-Bus (master) на RS-232", Radioterminal.ru. [Online]. Available: http://www.radioterminal.ru/catalog/rt_converters/.
Ренат Б. Салихов закончил в 1981г. Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ. В 1987 г. защитил кандидатскую диссертацию в области физики твердого состояния. Он был руководителем лаборатории волоконно-оптических преобразователей ОКБ «Заряд» в 1990-е годы, доцентом кафедры общей физики Башкирского государственного педагогического университета в 2000-х годах. В настоящее время является заведующим кафедрой инфокоммуникационных технологий и наноэлектроники Физико-технического института Башкирского государственного университета. Область интересов в научно-исследовательской деятельности - физика конденсированного состояния, нанотехнологии и электроника.
Вали Х. Абдрахманов в 1998г. закончил Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ). В 2003г. защитил в УГАТУ кандидатскую диссертацию, затем работал в должности доцента на кафедре "Промышленная электроника" факультета Авиационного приборостроения УГАТУ В настоящее время работает в должности доцента кафедры "Инфокоммуникационных технологий и наноэлектроники" Физико-технического института Башкирского государственного университета, г. Уфа. Его область научных интересов –автоматизация и системы управления.
Константин В. Важдаев в 1998г. закончил Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ). В 2003г. защитил в УГАТУ кандидатскую диссертацию, затем работал в должности доцента на кафедре "Информационно-измерительная техника" факультета Авиационного приборостроения УГАТУ В настоящее время работает в должности доцента кафедры "Инфокоммуникационных технологий и наноэлектроники" Физико-технического института Башкирского государственного университета, г. Уфа. Его область научных интересов – информационно-измерительная техника.