ERK'2019, Portorož, 19-22 19 Prenosniavtonomniregistratorzlokalnoobdelavopodatkovin brezˇ ziˇ cnimprenosom MihaHorvat,Boˇ stjanVlaoviˇ c Fakulteta zaelektrotehniko, raˇ cunalniˇ stvo ininformatiko,Univerza vMariboru Koroˇ ska cesta 46,2000 Maribor E-poˇ sta: miha.horvat3@student.um.si, bostjan.vlaovic@um.si Portableautonomousdataloggerwithlocal dataprocessingandwirelesstransmission Thispaperpresentsastudentprojectwhereadatalog- ger was developed for measuring pressure in the water distribution system ”Vodovod sistema B”. The aim was toprovidepromptnotificationsofquickpressurechanges that might cause various problems and damage the dis- tribution infrastructure. Most of the existing data log- gers log only raw data without any processing, and re- port to the central system with time intervals that are inadequate to detect quick momentary changes of pres- sure. To avoid water hammer and similar problems, the developed data logger collects changes of pressure every second and logs data locally. Next, the minimum, maxi- mum,andaveragevaluesfortheselectedtimeperiodare senttoremoteservers. Thedeviceisfittedinawatertight case and controlled by the Atmega328P microcontroller, which is programmed in C. Data are collected at control servers and visualised with graphs, Tables, and dynamic graphics. The initial tests show that the proposed solu- tion will enable operators to optimise the water distribu- tion system in the region. Some challenges remain, e.g., the power consumption should be decreased to improve theautonomy ofthesystem 1 Uvod Zaoptimalnodelovanjevodovodnihsistemovjepotrebno podatke beleˇ ziti, obdelovati, ustrezno interpretiratiter ob zaznanih odstopanjih kvalitete distribucije vode tudi pra- voˇ casnoukrepati. Upravljavcivodovodnihsistemovspre- mljajo pretok, koliˇ cino klora v vodi, temperaturo vode, nivo podtalnice in tlak. Slednji je ˇ se posebno pomem- ben,sajjeobprenizkihvrednostihprekinjenadistribucija vode do porabnikov, pri previsokih vrednostih pa lahko pride do poˇ skodb na cevovodih. Tehniˇ cni pravilnik na Vodovodu sistema B v 11. ˇ clenu opisuje, da je obrato- valni tlak v omreˇ zju odvisen od hidravliˇ cnega stanja in porabe vode. Kadar ni pretoka jena mestu obraˇ cunskega vodomera lahko tlak najmanj 1,5 bara, v izrednih raz- merah, ko pride do poˇ zara ali veˇ cje okvare, pa je tlak lahko tudi niˇ zji [1]. Zaznavanje hipnih sprememb tlaka je kljuˇ cnega pomena predvsem na transportnih cevovo- dih,sajtamniobjektovzmerilnoinkrmilnotehnologijo. Na take lokacije je potrebno namestiti baterijsko napa- janenaprave,kiomogoˇ cajobeleˇ zenjeinbrezˇ ziˇ cniprenos podatkov. Tovrstni merilniki morajo biti avtonomni in primerne velikosti za namestitev v neprostorne betonske jaˇ ske. V tem ˇ clanku je predstavljen registrator podatkov, ki omogoˇ ca zaznavanje hipnih sprememb. Registrator pri- dobljenemerilnepodatkeobdelainnastreˇ znikbrezˇ ziˇ cno poˇ slje zgolj mejne in srednje vrednosti, s ˇ cimer se opti- mizira koliˇ cina hranjenih in prenesenih podatkov. Regi- strator lokalno hrani podatke na podatkovni kartici, zato ne potrebujemo namenskih kablov za prenos podatkov na raˇ cunalnik, kot je to praksa pri trˇ zno dobavljivih na- pravah. Modul GSM/GPRS omogoˇ ca prenos podatkov na oddaljeni streˇ znik za potrebe arhiviranja in vizualiza- cije podatkov. Ob odstopanjih od normalnih vrednosti selahkopoˇ sljetudiSMSsporoˇ cilonaizbranotelefonsko ˇ stevilko. Registratorjebaterijskonapajanindovoljmajh- nihdimenzij,dasegalahkonamestivpoljubnijaˇ sek. Na- pravolahkoklasificiramokotnizkocenovniregistrator,ki je funkcionalno primerljiv s trenutno ponudbo na trgu, a hkrati optimiziran za spremljanje hipnih sprememb tlaka na vodovodnem omreˇ zju. Prototip smo testirali vzpore- dnozobstojeˇ cimkomercialnimregistratorjem. Izkazalse je s preprostim prenosom lokalno beleˇ zenih podatkov in zaznavanju hipnih sprememb tlaka, ima pa krajˇ si ˇ cas av- tonomnosti,zatobibilopotrebnoporaboelektriˇ cneener- gije ˇ senekolikozmanjˇ sati. V drugem poglavju predstavimo gradnike prototipa terprogramskoopremozaarhiviranjeinvizualizacijopo- datkov na streˇ zniku. V tretjem poglavju opiˇ semo testira- nje prototipa registratorja. V sklepu povzamemo opra- vljenodeloinpodamopredlogezaizboljˇ save. 2 Razvojprototiparegistratorja Izbirakomponentzaprototipregistratorjajebilaodvisna od kompatibilnosti, funkcionalnih specifikacij, dobavlji- vostigradnikovincene. 2.1 Mikrokrmilnik Osrednja komponenta registratorja je mikrokrmilnik, ki izvaja vse funkcionalnosti registratorja. Odloˇ cili smo se za namestitev v podnoˇ zje, ki omogoˇ ca preprosto odstra- nitev in zamenjavo tekom razvoja prototipa. Izbrali smo ATMELATmega328Pz8-bitnocentralnoprocesnoenoto. Glavnelastnostimikrokrmilnikaso[2]: 20 • zmogljivost: 20MIPS(Millionsofinstructionsper second)pri20MHz, • Bliskovnipomnilnik: 32kB, • SRAM (Static Random-Access Memory) pomnil- nik: 2kB, • EEPROM(Electrically-ErasableProgrammable Read-OnlyMemory)pomnilnik: 1kB, • najviˇ sjafrekvencadelovanja: 20MHz, • 32sploˇ sno-namenskihregistrov, • 3prilagodljivi ˇ casovnikizveˇ cnaˇ cinidelovanja, • notranjeinzunanjeprekinitve, • serijskoprogramirljivUSART(UniversalSynchro- nusandAsynchronusReceiver-Transmitter), • 10-bitnianalogno-digitalnipretvornik, • 5programskodoloˇ cljivihnaˇ cinovdelovanjaza varˇ cevanjezenergijo, • napajanje: 1,8-5,5V. Zadelovanjemikrokrmilnikauporabljamozunanji16 MHzkristalnioscilator,kivpovezavizvezjemuporablja dva22pFkondenzatorja. 2.2 Senzortlaka Senzor tlaka Eltratec PPI 110 lahko meri tlak korozivnih in agresivnih medijev (tekoˇ cin) in se lahko uporablja za meritev tlaka v cevovodih ali rezervoarjih (slika 1). Sen- zorPPI110pretvarjatlakagresivnihinkorozivnihmedi- jev v tok 4–20 mA. Ohiˇ sje merilnika in senzor sta izde- lanaiznerjaveˇ cegajekla,elektronikavohiˇ sjupajezalita s posebno smolo, kar poveˇ cuje robustnost in zanesljivost merilnika[4]. Tehniˇ cnelastnostisenzorjatlakaso: • napajanje: 9-27 VDC (Voltage Direct Current – dvoˇ ziˇ cniprikljuˇ cek), • merilnoobmoˇ cje: 0-16bara, • izhodnisignal: 4-20mA, • temperaturamedija: -30do120°C, • temperaturaokolice: -30do80°C, • merilnanapaka: 0,1%merilnegaobmoˇ cja. 2.3 Modulzahrambopodatkov Zalokalnohrambopodatkovsmoizbralipomnilniˇ skokar- tico tipa microSD. Glede na to smo izbrali primerni po- datkovni modul, ki za delovanje potrebuje 4,5–5 V na- petosti, pomnilniˇ ske kartice pa lahko imajo od 2 GB do 32 GB spomina. Bralnik je z mikrokrmilnikom povezan preko vmesnika SPI (Serial Peripheral Interface). SPI uporabljasinhronodvosmernoserijskopovezavomedmi- krokrmilnikominperiferniminapravami. Delujenaprin- cipugospodar/suˇ zenj. Ponavadi jemikrokrmilnikgospo- dar in upravlja periferne naprave ali module. Bralnik je zmikrokrmilnikompovezansˇ stirimipovezavami: MISO (MasterInputSlaveOutput),MOSI(MasterOutputSlave Input), SCK (Serial Clock) ter SS (Slave Select). MISO in MOSI sta uporabljena za poˇ siljanje podatkov ali uka- zovodgospodarjaksuˇ znjualiobratno,poSCKsepoˇ siljajo sinhronizacijskiimpulzi. SSjeuporabljenzaizbiroaktiv- negamodulasstranigospodarja,kadarjenamikrokrmil- nikpovezanihveˇ csuˇ znjev[3]. Slika1: SenzortlakaEltratecPPI110. 2.4 Modulzaurorealnega ˇ casa ˇ Casovnaznaˇ ckaseizmerjenimpodatkomdodazuporabo modula RTC DS3231 za uro realnega ˇ casa. Slednji ima dodatno 3 V baterijsko napajanje (CR 2032), kar zagota- vljanemotenodelovanjetudiobizpaduprimarneganapa- janja. Moduljezmikrokrmilnikompovezanprekovodila I 2 C (Inter-Integrated Circuit). Uporablja se za povezavo poˇ casnejˇ sih perifernih naprav z mikrokrmilniki na krat- kih razdaljah. Deluje na principu gospodar/suˇ zenj [5]. Tudivtemprimerujemikrokrmilnikgospodar. Modulje z mikrokrmilnikom povezan preko dveh povezav: SCK (SerialClock)inSDA(SerialData). SCKjeuporabljena zasinhronizacijoprenosapodatkovmednapravami,SDA pazaprenospodatkov. 2.5 KomunikacijskimodulGSM/GPRS ZuporabomodulaGSM,modelEVBSIM800Lv2.2,re- gistratorpoˇ siljapodatkeprekoGPRSomreˇ zjavcentralni nadzornisistemtervprimerualarmaSMSsporoˇ cilopreko omreˇ zja GSM. Modul vsebuje regulatorje napetosti, saj so moduli SimCom serije 800 zelo obˇ cutljivi na vhodno napetost,kimorabitivozkodoloˇ cenemobsegu. Zaupo- rabljeni modul zadostuje vhodna napetost 5 V. Najveˇ cjo poraboimamodulvfazivzpostavljanjapovezave,vsedo 2 A. Med testiranjem smo imeli nekaj teˇ zav zaradi pre- malozmogljiveganapajalnegavira,karjepovzroˇ calopo- gosteponovnezagonemodulainizpaddelovanja. Teˇ zavo smoodpravilizzamenjavobaterije. Standardnoalkalno9 V baterijo smo zamenjali z baterijami EWT ER26500M, ki zagotavljajo dovolj zmogljiv vir. V modul lahko vsta- vimo micro SIM kartico. SIM800L upravljamo z ukazi AT, ki jih z uporabo mikrokrmilnika poˇ siljamo preko se- rijskepovezave. Slednja zaseda dve povezavi: RX (rece- 21 ive) in TX (transmit). Na mikrokrmilniku Atmega328P lahkozaRXinTXdoloˇ cimorazliˇ cneprikljuˇ cke. Nakomunikacijskimodulsmoprikljuˇ cilipaliˇ castoan- teno proizvajalca Taoglas, tip TG.22.0112 za frekvenˇ cno obmoˇ cje824–2170MHz. DelujevGSM,GPRS,CDMA, HSPA,UMTSinEDGEomreˇ zjih. UporabljeniGSM/GPRS modulzaprototoippodpira2Gomreˇ zje(GSM),kideluje na frekvencah 900 in 1800 MHz. Lastnosti te antene v doloˇ cenihfrekvenˇ cnihpasovihopisujetabela1. Tabela1: LastnostianteneTG.22.0112 Lastnost GSMfrekvenˇ cnipas frekvencadelovanja(MHz) 880–960 1710–1880 polarizacija linearna impedanca 50Ω VSWR <3.5 prilagoditvenoslabljenje(dB) <-5dB izkoristek(%) 70,86 70,47 najviˇ sjidobitek(dBi) 1,93 2,37 povpreˇ cnidobitek(dBi) -1,50 -1,52 2.6 Napajalnimodulinbaterija Za vir napajanja smo se odloˇ cili uporabiti baterijo EWT ER26500M.Baterijajesestavljenaizdvehlitijevih3,6V celic. Skupna napetost baterije je 7,2 V, kapaciteta ba- terije je 6500 mAh. Izhodno napetost, potrebno za de- lovanje prototipa registratorja, reguliramo s stabilizatorji napetosti ali s stikalnim pretvornikom navzgor. Upora- bljeni stabilizator je tipa LM7805CV, ki sprejema 7–35 V vhodne napetosti, izhodno napetost pa stabilizira na 5 V, z najviˇ sjim tokom 1 A. Sikalni pretvornik DC-DC navzgor je tipa LM2577. Vhodna napetost je lahko 5–32 V, izhodna pa 6–35 V. Maksimalni izhodni tok je 2 A. Izhodnanapetostsereguliraspomoˇ cjovijaˇ cnegaregula- torja na modulu. Stabilizator uporabljamo za reguliranje napetosti na mikrokrmilniku ter ostalih modulih, stikalni pretvornik navzgor pa za napajanje senzorja tlaka, ki za delovanjepotrebuje14Vnapetosti. 2.7 Ohiˇ sjezavezjeinbaterijo Vse komponente smo ustrezno povezali ter pricinili na prototipno vezje. Konˇ cno PCB vezje ˇ se ni bilo izdelano, saj je priˇ cakovati manjˇ se spremembe in popravke tudi na vezju. Po testiranju bo izdelano konˇ cno vezje PCB. Sku- pno vezje smo namestili v ohiˇ sje z zaˇ sˇ cito IP67. Bate- rija je nameˇ sˇ cena fiksno na spodnji strani pokrova. Re- gistrator je dovolj kompakten za namestitev v vse tipe obstojeˇ cih jaˇ skov. Konˇ cni prototip registratorja z vsemi modulinaprototipnemvezjujeprikazannasliki2. 2.8 Programskaoprema Glavni program mikrokrmilnika zajema merjenje analo- gnevrednostitlaka,obdelavomerjenihvrednosti,beleˇ zenje podatkov na SD kartico in upravljanje GSM/GPRS mo- dula z ukazi AT za prenos podatkov v centralni nadzorni sistemterpoˇ siljanjesporoˇ cilaSMSvprimerupreseˇ zenih vrednosti. Slika2: Prototipregistratorja UporabljenmikrokrmilnikATmega328P,vsebuje10- bitnianalogno-digitalnipretvorniknaˇ sestihrazliˇ cnihvho- dih(prikljuˇ ckiod23do28). Vhodni signalnatovrstnem prikljuˇ ckulahkopredstavimos1024razliˇ cnimivrednostmi. MerilniktlakaPPI110delujenapodlagitokovnezankev obmoˇ cju4–20mA,obmoˇ cjemerjenjadejanskevrednosti tlaka pa je od 0 do 16 barov. Enaˇ cba 1 predstavlja pre- tvorboizmerjenevrednostinamerilnemuporuvbare. p= (Uin−Umin)(pmax−pmin) (Umax−Umin) +pmin (1) U in predstavljanapetostnaanalognemvhodumikro- krmilnika in je med 1 in 5 V.U min predstavlja najniˇ zjo vrednost vhodne napetosti, torej 1 V,U max pa najviˇ sjo vrednost vhodne napetosti, torej 5 V. Najniˇ zjo ˇ zeljeno vrednostpodajap min (0),najviˇ sjopap max (16). Zaradi veˇ cje preglednosti in optimalnejˇ se porabe de- lovnegapomnilnikasmoposameznedelealgoritmazapi- sali v veˇ c funkcij. Kjer je bilo to mogoˇ ce, smo uporabili lokalnespremenljivke. 2.9 Vkljuˇ citevvcentralnisistemnadzora Komunikacija med registratorjem in streˇ znikom v cen- tralnemsistemupotekaprekoprotokolnegaskladaTCP/IP. Javno podjetje Vodovod sistema B ima vzpostavljen za- sebni APN (Access Point Name), na katerega se povezu- jejo vsi uporabniki kartic SIM, ki so uporabljene za tele- metrijo. V nadzornem centru se na RADIUS streˇ znikih za vsako kartico doloˇ ci uporabniˇ sko ime in pripadajoˇ ce geslo za dostop do omreˇ zja. Oddaljene merilne naprave imajo dodeljen statiˇ cni naslov IP, ki omogoˇ ca enostavno upravljanje naprav na daljavo. Uporaba privatnega APN je dodaten vidik varnosti, saj se promet med merilnimi napravami in streˇ zniki loˇ ci od javnega medmreˇ zja. Do- stopdointranetapodjetjajedodatnozaˇ sˇ citenzveˇ cukrepi. 22 Na streˇ zniku je nameˇ sˇ cena storitev za posluˇ sanje na vratih TCP. Storitev smo razvili v programskem jeziku C#,vprostodostopnemrazvojnemokoljuIDEVisualStu- dio Community 2017. Razviti servis teˇ ce v ozadju ope- racijskega sistema Windows. Storitev ob prejeti zahtevi zakomunikacijoprebereprejetepodatkeinjihvformatu CSV (Comma Separated Values) zapiˇ se v datoteko. Iz te datoteke program GE Proficy Historian prebere vredno- sti ter jih, skladno z nastavitvami, pripiˇ se izbranim spre- menljivkam. Za vizualizacijo podatkov z dinamiˇ cnimi grafiˇ cnimi prikazovalniki in izrisi trendov smo, v okviru sistemaSCADA,uporabiliprogramGEProficyiFix(slika 3). Slika3: Trenutnostanjemerjenihpodatkov. 3 Testiranjeprototiparegistratorja Prototipregistratorjasmotestiralivnadzorovanemokolju s prilagojenimi komponentami glede na zmoˇ znosti pod- jetja, v sodelovanju s katerim je prototip nastal. Testi- ranje je potekalo v pisarnah javnega podjetja Vodovod sistema B. Za merjenje tlaka smo uporabili tlaˇ cno po- sodo, v kateri je bil stisnjen zrak. Senzor smo namestili meddvaventila,skaterimasmonadzorovaliizpustzraka ter simulirali padec tlaka v cevovodu. Med testiranjem smo preverili delovanje vseh funkcionalnosti prototipa. Preverili smo lokalno beleˇ zenje podatkov na spominsko kartico. Podatki so bili z ustrezno ˇ casovno znaˇ cko pra- vilnozapisanibrezodstopanj. Nastreˇ znikusmopreverili poˇ siljanje oz. prejemanje podatkov. Ti so bili relevantni in enakih vrednosti kot podatki, zapisani na pomnilniˇ ski kartici. Ssimulacijopadcatlakapodmejnovrednostsmo preverili poˇ siljanje SMS sporoˇ cila na izbrano telefonsko ˇ stevilko. Sporoˇ cilo je bilo uspeˇ sno poslano. Prav tako je bila uspeˇ sna lokalna obdelava podatkov na samem regi- stratorju. Vse funkcionalnosti prototipa so bile potrjene kotdelujoˇ ce. 4 Zakljuˇ cek V prispevku smo predstavili prototip avtonomnega regi- stratorja podatkov, ki lokalno beleˇ zi meritve analognega senzorja tlaka, jih obdeluje in brezˇ ziˇ cno poˇ silja na odda- ljeni streˇ znik. Funkcionalnosti prototipa so primerljive s komercialno dobavljivimi registratorji. Osnovni izziv stapredstavljaladovoljpogostoizvajanjemeritevtlakain obdelava podatkov, ki omogoˇ ca zaznavanje hipnih spre- memb na vodovodnem omreˇ zju. Z izdelavo registrator- jev po vzoru prototipa in namestitvijo teh na vodovodni sistembiomogoˇ cilioptimizacijodelovanjavodovodnega sistema B. Hitrejˇ se zaznavanje sprememb tlaka v vodo- vodnih ceveh bi omogoˇ cilo pravoˇ casno ukrepanje upra- vljavcev ter prepreˇ cilo finanˇ cne posledice poˇ skodb sis- tema. Prototipbilahkoizboljˇ salizuporabomikrokrmilnika, ki bi imel veˇ c pomnilnika, kar bi omogoˇ calo zahtevnejˇ so obdelavo podatkov in daljˇ si interval komunikacije, saj bi se veˇ c podatkov lahko hranilo v delovnem pomnilniku. Optimiziratibibilopotrebnotudiporaboelektriˇ cneener- gije, karbiomogoˇ cilo avtonomno delovanje registratorja za daljˇ se ˇ casovno obdobje. Trenutna razliˇ cica hrani po- datke na pomnilniˇ ski kartici, zato je potreben fiziˇ cni do- stop do bralnika. S podporo tehnologiji Bluetooth bi se lahko popolnoma izognili poseganju v jaˇ ske in registra- torje. Obprimernemrazvojuomreˇ zjaLoRainNB-IoTbi veljalonadgradititudikomunikacijskimodul. Literatura [1] Tehniˇ cnipravilniknaVodovodusistemaB.Ur.l.RS, 14/2018,str.2214. [2] AtmelCorporation.ATmega328PDatasheet.2009. Dostopnona: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/SMD/ ATMega328.pdf Dostopano: [14.1.2019] [3] Wikipedia.SPI.2013.Dostopnona: https://sl.wikipedia.org/wiki/SPI Dostopano: [26.6.2019] [4] Eltratecd.o.o.Tehniˇ cnilistMerilniktlakaPPI110.Sveti Jurijob ˇ Sˇ cavnici: Eltratec,trgovina,proizvodnjain storitved.o.o.,2010.Dostopnona: http://www.eltratec.com/datoteke/tehni%C4%8Dni %20listi/PPI110(P01-01-01-002).pdf Dostopano: [21.12.2018] [5] Wikipedia.I2C.2019.Dostopnona: https://en.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C Dostopano: [26.6.2019]