127 Prenos merilnih podatkov iz geomagnetnega observatorija po obstoječ em komunikacijskem omrežju Damir Deželjin 1 , Rudi Č op 1 Povzetek Za več ino današnjih geofizikalnih meritev je osnovnega pomena daljinski prenos merilnih podatkov in njihova rač unalniška obdelava. Zato smo že v č asu priprav na gradnjo geomagnetnega observatorija na ozemlju Slovenije zač eli tudi z razvojem digitalnega sistema za prenos merilnih podatkov, z razvojem telemetrije. Po predhodnih analizah smo pristopili k samostojni gradnji zapisovalnika podatkov (data logger), ki je osrednja enota v telemetriji. Z njo se merilni podatki zajemajo, delno obdelujejo in pripravljajo za prenos do strežnika. Zgradili smo ga iz standardne strojne opreme, ki zagotavlja delovanje zapisovalnika podatkov tudi v težjih pogojih, njegovo enostavno nadgradnjo in nižjo porabo električ ne energije. Za sam prenos merilnih podatkov od zapisovalnika podatkov do strežnika izkorišč amo obstoječ e omrežje za mobilno telefonijo, ki omogoč a tudi paketni prenos podatkov. Ključ ne besede: merilni podatki, zapisovalnik podatkov, omrežje GSM Key words: measuring data, data logger, GSM network Uvod Za postavitev sodobnega geomagnetnega observatorija obstajajo priporoč ila, vendar so vsa osredotoč ena na merilne instrumente, meritve in obdelavo merilnih podatkov (Wienert, 1970; Jankowski & Sucksdorff, 1996). Zelo skopa pa so navodila glede zajemanja in prenosa merilnih podatkov ter zagotavljanja varnega in zanesljivega obratovanja. Obratovanje geomagnetnega observatorija, ki ni nadzorovan s stalno posadko na njem, ogrožajo atmosferske prenapetosti, vandalizem in gozdni požari (Č op et al. 2014). Zato je zanesljiva in robustna telemetrija ne samo potrebna za prenos merilnih podatkov temveč tudi za daljinski nadzor delovanja merilnih instrumentov in celotnega observatorija z namenom, da se zagotovi zanesljiva in neprekinjena registracija vrednosti komponent zemeljskega magnetnega polja. Njihove srednje vrednosti med drugim omogoč ajo redukcijo merilnih vrednosti izmerjenih na drugih mestih po ozemlju, ki ga tak observatorij pokriva, in s tem omogoč ajo medsebojne primerjave merilnih podatkov in nadzor njihovih sprememb v č asu. Tak sodobni digitalni geomagnetni observatorij je obič ajno znanstveno-raziskovalno središč e, ki je vključ eno v mednarodno informacijsko mrežo za izmenjavo merilnih podatkov. Pogoje za vključ itev v tako mrežo postavljajo mednarodne organizacije, ki jo nadzorujejo. Prav tako te mednarodne organizacije stalno nadzorujejo delovanje v mrežo vključ enega geomagnetnega observatorija, organizirajo redno izobraževanje osebja, ki observatorij vzdržuje, in organizirajo redno preverjanje merilne opreme (Sumaruk et al, 2014). Taka globalna informacijska mreža za izmenjavo minutnih merilnih podatkov o stanju zemeljskega magnetnega polja v skoraj realnem č asu je INTERMAGNET (International Real-time Magnetic Observatory Network), ki je bil ustanovljen leta 1991 pod okriljem mednarodne organizacije IAGA (International Association of Geomagnetism and Aeronomy) (Love, 2008; INTERMAGNET, 2012). V tej mreži se za prenos in 1 Zavod Terra Viva, Sv. Peter 115, 6333 Seč ovlje/Sicciole 128 izmenjavo merilnih podatkov najbolj pogosto uporablja omrežje interneta. V kolikor pa to ni mogoč e, se podatki posredujejo preko geostacionarnih telekomunikacijskih satelitov. Nač rtovanje telemetrije Izhodišč ni parametri pri razvoju telemetrije so bili: zanesljivost prenosa merilnih podatkov in stroški tega prenosa, cena in dosegljivost opreme ter stroški vzdrževanja in možnost nadaljnjega razvoja sistema. Slika 1: Blokovna shema sistema za zajemanje, prenos, shranjevanje in obdelavo merilnih podatkov iz digitalnega geomagnetnega observatorija Ocenjena je bila količ ina merilnih podatkov v č asovni enoti in dodatno so bili določ eni še naslednji pogoji (Kraker et al, 2008), ki so se nanašali predvsem na zapisovalnik podatkov (data logger): • potreben je vmesnik RS232 za zajem merilnih podatkov iz magnetometra in vmesnik Ethernet za komunikacijo proti komunikacijskemu usmerjevalniku; • podatki se lahko v zapisovalniku podatkov združujejo in pošiljajo s č asovnim zamikom; • zahtevana je nizka poraba energije za zagotavljanje avtonomnosti ter sposobnost delovanja v širšem temperaturnem območ ju zaradi delovanja tudi na prostem; • podatki se pošiljajo preko brezžič nih sistemov za digitalno komunikacijo do strežnika. Zapisovalnik podatkov na geomagnetnem observatoriju ne omogoč a le zapisovanje merilnih podatkov, temveč omogoč a neodvisen dostop do njih in nadzor nad merilnimi instrumenti. Zato mora tak zapisovalnik podatkov poleg komunikacijskih vmesnikov in zunanjih pomnilnikov vsebovati tudi rač unalnik industrijskega tipa, ki zmore z ustrezno 129 programsko opremo: a) zanesljivo zajemati merilne podatke iz magnetometra, b) sinhronizirati č as, c) skladišč iti podatke, d) omogoč iti neodvisni dostop do njih in d) zanesljivo dostaviti podatke do strežnika. Za zapisovalnik podatkov so bile v nadaljevanju projekta predvidene še dodatne razširitve zaradi poveč ane varnosti delovanja same telemetrije in celotnega geomagnetnega observatorija (Slika 1). Zapisovalnik podatkov je osrednja enota telemetrije, kjer se zajemajo in oddajajo podatki različ nih bitnih pretokov. Zato so bile že v zač etku njegovega nač rtovanja prič akovane daljše č akalne vrste, zaradi č esar mora imeti taka enota dovolj velik delovni spomin (RAM). Za stalni zunanji pomnilnik pa je bila izbrana pomnilniška kartica tipa Compact Flash (CF), ki ustreza industrijskim standardom in deluje tudi v razširjenem temperaturnem območ ju. Po daljšem preverjanju je bil izbran rač unalnik za vgradnjo (Embedded PC), na katerega se lahko namesti operacijski sistem Linux kot tudi za vgradni rač unalnik prilagojen operacijski sistem Windows (microATX, 2004; PC Engines, 2010). Na osnovi predhodnih preizkušenj je bil izbran komunikacijski usmerjevalnik Digi ConnectPort WAN VPN (ConnectPort, 2013), ki je zadovoljil zahtevo po hitrem in varnem povezovanju naprav znotraj geomagnetnega observatorija in lokacij po mobilnem omrežju. Zaradi modularne zasnove ga je mogoč e enostavno nadgraditi za povezavo v različ ne oblike mobilnih omrežij. Varnost prenosa podatkov zagotavljajo vgrajeni tuneli VPN (Virtual Private Network) z različ no obliko zašč ite prenesenih podatkov (Virtual, 2001). Na njegov vhod USB se lahko priključ i tudi video kamera za video nadzor nad geomagnetnim observatorijem. Zaradi zmanjšanja vpliva atmosferskih prenapetosti in drugih električ nih motenj so bile za premagovanje daljših razdalj znotraj geomagnetnega observatorija izbrane optič ne povezave. Vse preostale žič ne povezave so bile zaradi zmanjšanja vpliva strel naknadno skrajšane na najmanjšo možno mero (Č op et al. 2014). Sistem za zajemanje, prenos, obdelavo in shranjevanje merilnih podatkov za stalno spremljanje sprememb zemeljskega magnetnega polja, za uspešno pripravo na absolutne meritve in za daljinski nadzor instrumentov na observatoriju (Č op & Deželjin, 2013; Č op et al, 2014) je zač el testno delovati aprila 2011. V letu 2012 se je zapisovalniku podatkov postopoma poveč evala zanesljivost delovanja, kar vključ uje tudi stalen nadzor nad komunikacijo ter poenostavljen dostop do merilnih podatkov. Na strežniku se je izboljšala konč na obdelava merilnih podatkov in njihov grafič ni prikaz. V letu 2014 se je sistem telemetrije postopoma dopolnjeval v nač inu obdelave merilnih podatkov. Ti podatki so oblikovani tudi v formatu za pošiljanje v skoraj realnem č asu v mednarodno informacijsko mrežo INTERMAGNET, v mrežo za izmenjavo minutnih merilnih podatkov iz digitalnih geomagnetnih observatorijev (INTERMAGNET, 2012). Zapisovalnik podatkov Tekom razvoja smo zapisovalnik podatkov prilagodili za beleženje merilnih rezultatov iz različ nih vrst magnetometrov z različ nimi hitrostmi vzorč enja, različ nega nač ina dostopa do merilnih podatkov in različ nih hitrosti njihovega prenosa. Postal je bolj univerzalen in s tem tudi preprosteje zamenljiv v primeru njegove okvare. Znižalo se je število teh enot v rezervi in skrajšali smo č as popravila na observatoriju v primeru odpovedi katerega od zapisovalnikov podatkov. Zapisovalnik podatkov je prilagojen za zajemanje, obdelavo in prenos merilnih podatkov iz magnetometrov do strežnika geomagnetnega observatorija. Posamezna enota mora prenesti informacijsko vsebino v kodi ASCII do 7 MB na dan. Ob upoštevanju, da je mogoč e tako obliko informacije stisniti na velikost, ki je do petkrat manjša od prvotne, je 130 prenesena količ ina podatkov do 50 MB na mesec. Taka ocena velja tudi v primeru najbolj zahtevnega prenosa podatkov v binarni obliki, ki se ne dajo stisniti toliko kot kodirani podatki. Dodatni natanč nejši izrač uni in pa testiranja so pokazala, da se lahko količ ino prenesenih podatkov na meseč nem nivoju omeji na okoli 30 MB. Tak prenos merilnih podatkov iz magnetometrov na observatoriju je zadovoljiv, č e je na observatoriju dostopen eden od standardnih nizko cenovnih nač inov paketnega prenosa podatkov, kot npr. GSM (Global System for Mobile Communications) 2G/3G (Generation) ali ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). V zapisovalnik podatkov vgrajeni vgradni rač unalnik poganja operacijski sistem Linux. Slednji je namešč en na vgrajenem pomnilniku tipa CF. Operacijski sistem je prilagojen možnosti nenadzorovanega ponovnega zagona sistema zaradi izpada napajanja ali zaradi odklopa brez predhodnega ustavljanja (shut-down procedure). Zato je operacijski sistem naložen na zunanjem pomnilniku v bralnem nač inu (read-only). To tudi zmanjšuje obrabo, kakor tudi zmanjšuje možnost okvare kartice CF. Do take okvare pride v primeru izpada električ nega napajanja med pisanjem na kartico CF. Ker pa je bilo potrebno na zunanji pomnilnik zač asno shranjevati tudi izmerjene podatke, se je pomnilniška kartica CF v zapisovalniku podatkov izkazala kot njen najmanj zanesljiv sestavni del. Zato smo tisti del standardne pomnilniške kartice CF, ki smo jo uporabljali tudi kot dinamič ni pomnilnik, zamenjali s ključ em USB. Zunanji pomnilnik na ključ u USB uporabljamo kot bralni pomnilnik (read-only) obsežnega datoteč nega zapisa. Ta rešitev je bila uporabljena zaradi njegove nizke cene in enostavnosti prenosa podatkov. Izkazal se je kot zanesljivejši zunanji pomnilnik za zač asni zapis merilnih podatkov odpredhodno uporabljene pomnilniške kartice CF. Kljub skrbno nač rtovani arhitekturi telemetrije še vedno obstaja možnost, da pride do daljše prekinitve prenosa podatkov. V tem primeru upravljavec observatorija uporabi kar ključ ek USB iz zapisovalnika podatkov za prenos merilnih podatkov na njegov rač unalnik. Na enak nač in lahko pride do merilnih podatkov o spremembi zemeljskega magnetnega polja na samem observatoriju v č asu absolutnih meritev. Da pa ne bi nastala vrzel v datoteki z merilnimi podatki zveznih meritev (variometric data) zaradi izklopa celotnega zapisovalnika podatkov ali zaradi daljšega izklopa njegovega ključ ka USB, je predvidena možnost vzporedne vezave več zapisovalnikov podatkov na isti instrument. Prenos merilnih podatkov po omrežju GSM Za prenos merilnih podatkov od geomagnetnega observatorija do strežnika se uporablja brezžič ni paketni prenos podatkov. Cenovno ugodna tehnologija omogoč a tak prenos, ki ponuja pri manjših stroških za prenos podatkov tudi poveč ano varnost pred atmosferskimi prenapetostmi. Je pa tak prenos omejen tako po hitrosti kot tudi po količ ini prenesenih informacij. Namenjen je predvsem poslovnim uporabnikom za prenos podatkov iz oddaljenih lokacij v realnem č asu (Round, 2010). Izkorišč a že obstoječ e brezžič no omrežje ponudnika storitve za digitalno komunikacijo. Pri uporabi takega nač ina prenosa merilnih podatkov smo v letu 2014 zač ela registrirati tudi vrednost signala RSSI (Received Signal Strength Indication, RX level) (Nicholson, 2012) na mikrovalovni anteni modema za brezžič no digitalno komunikacijo, ki je vgrajen v usmerjevalnik (ConnectPort, 2013). Za prenos digitalnih podatkov po brezžič nem omrežju se uporablja nosilni signal izjemno visoke frekvence UHF (Ultra High Frequency) od 0,3 GHz do do 3 GHz in valovne dolžine od 1 m do 1 dm (Radio, 2014). Po standardu IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) je to frekvenč no področ je mikrovalov in sicer dveh območ ij radarskih valov: L (1 GHz – 2 GHz) in S (2 GHz – 4 GHz). Ti se na zemeljski površini 131 uporabljajo v mobilni telefoniji, za oddajanje digitalnega radia, v brezžič nih rač unalniških omrežjih in za nadzorne sisteme v pomorstvu in letalstvu. Ker se mikrovalovi v prostoru širijo premoč rtno, je njihov doseg odvisen od vremenskih razmer vzdolž poti njihovega širjenja. Hitrost njihovega širjenja je odvisna od temperature in vlažnosti zraka ter zrač nega tlaka (Cook, 1986). Na širjenje mikrovalov v troposferi pa ne vplivajo samo lastnosti zraka in padavine, temveč tudi neposredno sevanje Sonca: visoko energetskih žarov X in visoko energetskih elementarnih delcev ali kozmič nih žarkov. Pri uporabi mikrovalov za neposredno komunikacijo med oddajno in sprejemno anteno so najpomembnejši neposredni valovi, vendar so pri tem pomembni tudi odbiti valovi. Pri odboju na kopnem se ti valovi razpršujejo, zato doseže sprejemno anteno le manjši del te odbite energije. Odbiti valovi tudi potujejo po daljši poti do sprejemne antene od tistih neposrednih in č e je ta pot lihi mnogokratnih polovice valovne dolžine, se vala med seboj dušita. Padavine mikrovalove razpršujejo in jih v dobršni meri tudi vpijajo. Drobne kaplje vode, delci prahu in peska, toč a, sneg in ledeni kristali v zraku zmanjšujejo energijo mikrovalov na njihovi poti tem bolj, č im višja je njihova frekvenca oziroma krajša valovna dolžina. Zaključ ek Primernejša rešitev za zanesljivejše in hitrejše prenašanje merilnih podatkov ter hitrejši in zanesljivejši dostop do zapisovalnika podatkov bi bil priključ ek observatorija na javno komunikacijsko omrežje preko optič nega kabla. Pri tem bi bila ohranjena zahtevana galvanska loč itev zaradi prenapetostne zašč ite, bi pa optič na povezava omogoč ila priklop dodatnih magnetometrov in ostalih potrebnih merilnih instrumentov. S priklopom nadzornih video kamer, kar bi omogoč ila optič na povezava z javnim komunikacijskim omrežjem, bi bil lažji daljinski nadzor observatorija in njegovo daljinsko vzdrževanje. Z nadaljnjimi sistematič nimi meritvami jakosti signala RSSI na mikrovalovni anteni obstoječ ega modema na observatoriju za brezžič ni paketni prenos podatkov bi lahko dokazali, da na širjenje mikrovalov v troposferi vplivajo ne samo lastnost zraka in padavine, temveč tudi neposredno sevanje Sonca. Literatura ConnectPort WAN Family; Multifunction 3G Wireless WAN Routers. (2013). Digi International. Cook, P. N. (1986). Microwave Principles and Systems. New Jersey (US): Prentice Hall. Č op, R. Deželjin, D. (2012). Prvo leto delovanja geomagnetnega observatorija pod Sinjim vrhom nad Ajdovšč ino. Raziskave s področ ja geodezije in geofizike 2011. Zbornik predavanj. Urednik Miran Kuhar. Ljubljana: Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, 57-62. Č op, R. Deželjin, D. (2013). Transmission of Measuring Data from the Sinji vrh Geomagnetic Observatory. Proceeding of the XVth IAGA Workshop on Geomagnetc Obsrvatory Instruments, Data Acquisition, and Processing. Edited by: Pavel Hejda, Arnaud Chulliat, Manuel Catalan. Extended Abstract Volume. San Fernadno; Cadiz (Spain): Real Instituto y Observatorio de la Armada, June 4th – 14 th, 2012. Boletion Roa, 3 (13), 160-164. Č op, R. Milev, G. Deželjin, D. Kosmač , J. (2014). Protection against lightning at a geomagnetic observatory. Geosci. Instrum. Method. Data Syst., 3, 135-141. INTERMAGNET Technical Reference Manual. (2012). Version 4.6. Edited by Benoît St-Louis. Edinburgh (UK): British Geological Survey. Jankowski, J., Sucksdorff, C. (1996). IAGA Guide for Magnetic Measurements and Observatory Practice. International Association of Geomagnetism and Aeronomy. 132 Kraker, P. Štern, A. Bešter, J. Č op, R. (2008). Telemetric System for Geomagnetic Field Monitoring. International scientific conference on Magnetism – Geomagnetism – Biomagnetism MGB – 2008, Sežana 7 – 8 November 2008. Conference Proceedings - MGB 2008, Sežana: Higher Education Centre Sežana; Laboratory for Geomagnetism and Aeronomy International Conference on Magnetism, Geomagnetism and Biomagnetism, 65-78. Love, J. J. (2008). Magnetic monitoring of Earth and space. Physics Today Online, 61 (2), 31-37. microATX Motherboard Interface Specification. (2004). Version 1.2. Intel. Nicholson, M. (2012). DIGI Connect Mobile Status Management. Digi International Part Number: 40002846_A. Minnetonka (US): Digi International. PC Engines; ALIX.3c3/alix.3d3 system boards. (2010). Glattbrugg(CH): PC Engines. Radio spectrum. (2014). Wikipedia the Free Encyclopedia. http://en.wikipedia.org/ wiki/Radio_spectrum#IEEE (13.12.2014) Round the clock control of your fleet. Bransys allows you to successfully manage your business with real-time data. (2010). Application Area: GPS locating and tracking. Bransys VIP Operator – Member of Telekom Austria Group M2M. Sumaruk, P. Yu. Starostenko, I. V. Legostaeva V. O. (2014). Geomagnetic observatories of Ukraine in the Global Network INTERMAGNET, Russ. J. Earth. Sci., X, 12 (2), ES2002, doi:10.2205/2011ES000506. Virtual Private Networking: An Overview. (2001). Microsoft. http://technet.microsoft.com/en- us/library/bb742566.aspx (13.12. 2014) Wienert, K.A. (1970). Notes on geomagnetic observatory and survey practice. Earth sciences. Brussels: UNESCO.