Разработка прототипа устройства по удаленному контролю за техническими средствами производства ОАО «Супертел» на базе платформы Arduino с использованием протокола RS-485

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются возможные варианты применения аппаратно-вычислительных платформ в качестве устройств контроля за техническими средствами. В качестве базисных экземпляров используются мультиплексоры производства ОАО «Супертел». В статье идет детальное рассмотрение устройств различного класса и рода выполняемых задач для необходимых целей, определяемых администратором сети удаленного доступа. Рассматривается пример реализации схемы контроля через различные интерфейсы, определяемых совокупностью технологических факторов. Предложенный вариант устройства по удаленному контролю за техническими средствами будет использоваться при изучении дисциплин, связанных с телекоммуникациями, а также он может быть рекомендован для внедрения на объекты связи для контроля за состоянием аппаратуры.

ABSTRACT

This work discusses possible uses of hardware and computing platforms as devices for monitoring technical devices. Multiplexers manufactured by «Supertel» company are used as base units. The article is a detailed consideration of devices of various classes and types of tasks performed for the necessary purposes, determined by the administrator of the remote access network. An example of the implementation of a control scheme by various interfaces, determined by a set of technological factors, is considered. The suggested version of the system for remote monitoring of technical devices will be used in the study of disciplines related to telecommunications, and it can also be recommended for implementation on communication facilities to control the status of equipment.

Ключевые слова: платформа Arduino Mega 2560, удаленный контроль, аппаратура ОАО «Супертел», узел связи, протокол RS-485.

Keywords: platform Arduino Mega 2560, remote monitoring, «Supertel» technical equipment, communication center, protocol RS-485.

Развитие телекоммуникационных технологий в последние годы позволило мгновенно устанавливать связь с каким-либо пользователем в любой точке мира. Эти технологии можно также применять в сети связи общего пользования для того, чтобы находящееся там оборудование могло сообщать о своем состоянии оператору, который осуществляет контроль за аппаратурой из помещения дежурного по связи. Более того, дежурный по связи получит оповещение именно тогда, когда оборудованию необходимо уделить внимание. Автоматизированный контроль обеспечивает индикацию работоспособности той или иной аппаратуры в режиме реального времени и позволяет определять условия работоспособности аппаратуры, которые могут непреднамеренно или без ведома персонала привести к неисправности оборудования. Операторы вносят корректировки в работу оборудования, что позволяет избежать его отказов. При наличии развитой системы предупреждения персонал, осуществляющий техническое обслуживание, может работать именно с тем оборудованием, которое в нем на самом деле нуждается, а не терять время на поиски проблем, проводя контроль вручную. Данная тема является актуальной, так как удобнее наблюдать за состоянием аппаратуры, находясь в помещении дежурного по связи, нежели делать частые обходы помещений узла связи для постоянного контроля [1].

Для решения сложных технических задач, связанных с разработкой больших проектов и их комплексной автоматизацией, на данный момент используются две самые популярные платформы по удаленному контролю различных периферийных устройств:

1. Arduino;
2. Raspberry Pi.

Первое, о чем необходимо сказать – Arduino и Raspberry Pi – это разные платы. Они похожи только корпусом, но их характеристики заметно отличаются. Так, процессор в "Raspberry Pi" в 40 раз более быстрый, чем в Arduino. Разница в объеме оперативной памяти более чем в 100 тысяч раз – 1 гигабайт против всего 32 килобайт. Почему за основу была взята платформа Arduino? Arduino – это одиночная плата, которая не загружена выполнением кода операционной системы. Данная платформа обрабатывает только одну задачу – все задачи выполняются в режиме реального времени. Кроме этого, соответствующая плата имеет сравнительно низкое энергопотребление. Но главное достоинство Arduino заключается в ее простоте. Общаться с этой платформой очень легко – необходимо разобраться только в одном – IDE (программная среда). В то время как на Raspberry нужно изучать операционную систему, а также устанавливать различные библиотеки.

После выбора платформы Arduino для удаленного контроля техническими средствами необходимо разобраться, какой вид платформы больше подойдет для нас. Основными платформами являются [2]:

1. Arduino xxx (стандартный размер, 20 входов-выходов);
2. Arduino Nano xxx (уменьшенный размер, 22 входа-выхода);
3. Arduino Mega xxx (увеличенный размер, 70 входов-выходов);
4. Arduino Mini xxx (еще более уменьшенный размер, 20 входов-выходов).

Из перечисленного выше перечня наш выбор остановился на плате Arduino Mega, потому что данная платформа имеет большое количество цифровых и аналоговых входов. А для управления техническими средствами нам понадобится не менее 20 цифровых и 3 аналоговых входов. Существуют несколько модификаций данной платформы:

1. Arduino Mega;
2. Arduino Mega 2560;
3. Arduino ADK.

В результате проведенного анализа была выбрана плата Arduino Mega 2560 (рисунок 1), потому что, во-первых, объем внутренней памяти у данной платформы больше, чем у обычной Arduino Mega, а, во-вторых, у нас нет необходимости подключаться к операционной системе Android, что задействовано в плате Arduino ADK .

Подключение любых устройств к плате Arduino Mega 2560 осуществляется путем присоединения к контактам, расположенным на плате контроллера: одному из цифровых или аналоговых пинов или пинам питания.

Рисунок 1. Плата Arduino Mega 2560

Некоторые характеристики платы Arduino Mega 2560:

1. Микроконтроллер – Atmega2560;
2. Рабочее напряжение – 5 В;
3. Входное напряжение – 7-12 В;
4. Выходное напряжение (предельное) – 6-20 В;
5. Цифровые входы/выходы - 54 (14 из которых могут работать также как выходы ШИМ);
6. Аналоговые входы – 16;
7. ОЗУ – 8 Кбайт;
8. Флеш-память – 256 Кбайт (8 Кбайт используется для загрузчика);
9. Тактовая частота - 16 МГц.

Arduino Mega 2560 может получать питание как через подключение по USB, так и от внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически.

Внешнее питание (не USB) может подаваться через преобразователь напряжения AC/DC (блок питания) или аккумуляторной батареей. Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с  положительным полюсом на центральном контакте. Провода от батареи подключаются к выводам Gnd и Vin разъема питания (POWER).

Пины с номерами от 0 до 53 являются цифровыми. Это означает, что вы можете считывать и подавать на них только два вида сигналов: HIGH и LOW. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) также можно использовать цифровые порты для управления мощностью подключенных устройств.

Аналоговые пины Arduino Mega 2560 предназначены для подключения аналоговых устройств и являются входами для встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который в Arduino Mega шестнадцатиразрядный.

Чтобы данную плату согласовать с компьютером, необходимо используя ПО Arduino IDE написать скетч, где прописать программный код для каждого цифрового и аналогового входа (фрагмент скетча для разработанного устройства представлен на рисунке 2).

Рисунок 2. Фрагмент скетча для разработанного устройства

Далее, используя COM-порт (интерфейс RS-232) компьютера, необходимо «прошить» данный программный код в плату. Однако используя интерфейс USB, пользователь сможет контролировать и управлять аппаратурой только на расстоянии до 10 метров [3]. Поэтому необходимо использовать интерфейс RS-485 для увеличения расстояния по контролю работоспособности аппаратуры из помещения дежурного. Однако при подключении аппаратуры напрямую по интерфесу RS-485 возникнут проблемы с ее правильным функционированием. Для правильной работы технических средств по данному интерфейсу необходим преобразователь RS-232 (COM-порт компьютера) в RS-485 (рисунок 3)

Рисунок 3. Преобразователь интерфейса RS-232 в интерфейс RS-485

Интерфейс RS-485 позволяет осуществлять контроль за аппаратурой на расстоянии до 1200 метров [4]. Тем самым оператор, находясь в помещении дежурного имеет возможность проконтролировать состояние и получать информацию о состоянии аппаратуры связи со всех технических средств, которые находятся в помещениях в радиусе до 1200 метров. В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль. Стандарт определяет следующие линии для передачи сигнала:

A — неинвертирующая;

B — инвертирующая;

C — необязательная общая линия (ноль).

Пример подключения RS-485 устройств с двумя контактами представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Подключение RS-485 устройств с двумя контактами

Однако если необходимо организовать связь с помощью протокола RS-485 на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители.

Ниже представлена структурная схема (рисунок 5) прототипа устройства по удаленному контролю за техническими средствами производства ОАО «Супертел» таких как: МП, КЦС, СМД, ОСМ-К, МКСС.

Рисунок 5. Структурная схема удаленного контроля техническими средствами

Каждое устройство имеет свой разъем, например, МП имеет разъем «СТАТИВ», МКСС – «СТАТИВ», СМД – «КОНТРОЛЬ», ОСМ-К – «КОНТРОЛЬ», КЦС – «СТАТИВ».

На рисунке 6 представлен внешний вид разъема «СТАТИВ», а в таблице 1  назначение его контактов. В разъеме «СТАТИВ» имеются 2 контакта (1,6) , которые передают информацию о сбое в аппаратуре или каких-либо ошибок при настройке оборудования – сигнал «Авария». Другие 2 контакта (2,7) дают сигнал «Предавария» - в случае пропадании питания или предаварийном состоянии аппаратуры.

Рисунок 6. Внешний вид разъема «СТАТИВ»

 Таблица 1.

Назначение контактов разъема «СТАТИВ»

На рисунке 7 представлен внешний вид разъема «КОНТРОЛЬ» и здесь использовать аналогично 4 контакта, которые отвечают за аварию (18,26) и предаварию (17,25) технического средства. Нумерация данных контактов представлена в структурной схеме, а также в таблице 2, где представлена рекомендация по распайке вилки высокой плотности D-SUB для разъемов «КОНТРОЛЬ».

Рисунок 7. Внешний вид разъема «КОНТРОЛЬ»

Таблица 2.

Рекомендация по распайке вилки контактов разъема «КОНТРОЛЬ»

Чтобы правильно получать сигналы о состоянии того или иного технического средства необходимо вилку высокой плотности D-SUB 26 pin для разъема «КОНТРОЛЬ» и D-SUB 9 pin для разъема «СТАТИВ» распаять в соответствии с маркировками, указанных на рисунке 6 и 7 [5].

Таким образом, для получения сигналов «Авария» и «Предавария» будут использованы контакты (1,2,6,7) разъема «СТАТИВ» и контакты (17,18,25,26) разъема «КОНТРОЛЬ».

Дальнейшее совершенствование данного прототипа устройства возможно в направлении добавления видеонаблюдения, а также других датчиков, не представленных в статье для дополнительного контроля за аппаратурой. Не менее важным является и вопрос одновременного контроля за аппаратурой других производителей, таких как ПАО «МОРИОН»

Разработанный прототип устройства по удаленному контролю за техническими средствами будет использоваться при изучении дисциплин, связанных с телекоммуникациями, а также он может рекомендован для внедрения на объекты связи для контроля за состоянием аппаратуры ОАО «Супертел» из помещения дежурного по узлу.

Список литературы:
1. Эра дистанционного контроля оборудования становится реальностью [Электронный ресурс] URL: https://controlengrussia.com (дата обращения: 15.01.20).
2. Arduino Mega 2560 [Электронный ресурс] // Arduino.ru URL: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardMega2560 ((дата обращения: 18.01.20).
3. Протокол USB [Электронный ресурс] // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/USB (дата обращения: 20.01.20).
4. RS-485 [Электронный ресурс] // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/RS-485 (дата обращения: 21.01.20)
5. ОАО СУПЕРТЕЛ [Электронный ресурс] // Санкт-Петербург. URL: http://www.supertel.ru (дата обращения: 22.01.20)