Modulární systém automatizovaného monitorování muzejních prostředí Technologické komponenty, část I. ing. Karel Juliš karel@itam.cas.cz materiál pro workshop projektu NAKI Praha, říjen 2015
Základní myšlenky: 1) Otevřený systém - modularita a záměnnost použitých senzorů - variabilita formy (konfigurace) nasazení - variabilita komunikačních kanálů - variabilita vyhodnocovacích nástrojů - zálohování
2) Otevřené datové struktury - snadné vytváření i zpracování - veřejně popsaný protokol, dovolující vazbu zařízení třetích stran - snadné vyhledávání chyb v komunikaci - jednoznačně definované předávání dat k dalšímu zpracování
3) Součástková základna, komponenty - běžně dostupné elektronické a IT součásti - co nejlevnější - podpora co nejvíce různých rozhraní, SW drivery - snadno a levně dodavatelsky vyrobitelné HW komponenty - unikátní hardwarové komponenty vytisknutelné 3D tiskárnou - maximální využití modelu svobodného softwaru
Výsledkem je vrstvový model:
Vrstva RINGO: Front end: I2C - obrovská škála senzorů, lokální připojení SPI - obdobně široká škála senzorů, lokální připojení RS 232, RS 485, RS 422 - standardní průmyslová rozhraní ANALOG - klasický analogový výstup tradičních čidel Back end: Radio - od modulů pro místní přenos po výkonné radiostanice RS 485 - drátové propojení v průmyslovém standardu BT, ZigBee - moderní SRD komunikační kanály
Vrstva GEORGE: Nové back endy: Ethernet drátový, vysokokapacitní, dnes běžně dostupný v drtivé většině objektů WiFi dtto v bezdrátovém provedení, možnost vazby na další kanály (např. GSM/WiFi)
Použití vrstev: - vrstvy se často slévají v jednom zařízení - jednoduchost vrstvy RINGO dovoluje extrémně levná řešení - použité komunikační protokoly poskytují velmi širokou škálovatelnost - variabilita konfigurace prakticky daná jen fantazií uživatele
Příklady realizace komponent jednotlivých vrstev 1) Cost-optimised RINGO pro expozice
Parametry: - měření vlhkosti (0,1% RH), teploty (0,1 C) a osvětlení (1 10^4 lx) - místní radiový přenos naměřených hodnot (v budově desítky m) - využití bezlicenčního ISM pásma pro přenos (kompatibilní s CE) - perioda snímání nastavitelná 1 min.. 1 den - napájení z běžných AAA baterií, životnost cca 2 roky - připraveny volné HW vstupy pro případná další čidla - možnost další miniaturizace - otevřený firmware, svobodně dostupné programovací prostředí
2) GEORGE verze 4 a verze 5
Parametry: - vestavěný komunikační frontend ISM 433 MHz nebo ISM 868 MHz - vestavěný frontend I2C 5V, I2C 3V, SPI, Serial TTL - volitený frontend Bluetooth, RS 232, RS485, RS422 - vestavěný komunikační backend Ethernet, WiFi - volitelný bezdrátový backend GSM, LTE - volitelný drátový backend RS 232, RS485, RS422 - výkonný místní procesor (ARMv7 Quad Core, 900 MHz) - možnost připojení místního úložiště (Flash disk, USB harddisk) - minimální spotřeba (pod 10 W)
RINGO v. 5 možnost interakce v místě nasazení, volně programovatelný display 4 x 20 znaků a klávesnice.
3) Sloučené vrstvy RINGO.. JOHN
Parametry: - procesor AMD Geode - vestavěný frontend A/D 8 kanálů, 14 bitů (rozšiřitený SW na 16 kanálů) - vestavěný frontend 16 dvoustavových vstupů - vestavěné měření teploty a kvality zdrojů - vestavěné backendy Ethernet, WiFi, RS 485
4) Vývojový modul RINGO - určen k vývoji a ladění hardwarové podpory - výkonnější zdroj - snadno dostupné aplikační vývody - otevřený software
5) Samostatné přijímače GEORGE Parametry: kompatibilní s celou řadou RINGO výstup RS 232 nebo USB na výstupu je otevřený protokoly v síti jich lze použít libovolný počet umožňuje paralelní využití měření libovolným počtem dalších subjektů
6) RINGO LIGHT 009 Jedná se specializovanou verzi bloku RINGO pro jednoúčelovou aplikaci snímání světelné expozice světlocitlivých exponátů. Parametry: - rozsah měřitelných intenzit světla - doba chodu na jedno osazení bateriemi - rozsah zaznamenatelné světelné dávky - rozlišení zaznamenatelné světelné dávky - IR přenos naměřených hodnot bezkolizní - lze doplnit radiový (ISM) přenos hodnot - dvě spektrální oblasti měření 1.. 80 000 lx až 6 měsíců 340 000 lx.h 0,02 lx.h
RINGO LIGHT 009
Samotná elektronika RINGO LIGHT 009
Unikátní sensory Sensory polétavého a lezoucího hmyzu
a jejich aplikace
Ukázka otevřeného formátu dat *ZG# - adresování, přesněji: Z pro všechny G čidlo G T218 - teplota 21,8 C H307 - relativní vlhkost 30,7% L914 - intenzita osvětlení 91,4% B399 - napětí baterie 3,99 V U této verze čidla je intenzita světla snímána ještě v relativním režimu vůči nastavenému rozsahu. V poslední verzi HW a SW je již intenzita snímána a předávána v absolutní hodnotách, přímo v luxech.
Materiálové a sériově výrobní náklady na jednotlivé komponenty: RINGO cost optimised RINGO LIGHT 009 GEORGE samotný přijímač GEORGE v. 5 GEORGE v. 6 sensor hmyzu PAUL (běžné PC) JOHN cca 2000.- Kč cca 2500.- Kč cca 2000.- Kč cca 6000.- Kč cca 8000.- Kč cca 1500.- Kč cca 10 000.- Kč serverová platforma Náklady na SW 0 Kč
Jak a co dál? Vývoj jednoznačně směřuje k IOT (internet of things).
Výhody a nevýhody IOT: jednotná komunikace vysoká přenosová rychlost oboustranná komunikace garantovaný přenos vysoká energetická náročnost na úrovni micropower čidel vyšší HW nároky
Základní parametry: 0,5 Mbyte FLASH, 80+32 kbyte RAM, Extensa Core LX106 CPU, sleep 10μA, WiFi 802.11b/g/n, RX 60 ma, TX 200 ma
Základní problém spotřeba Spící RINGO spotřebovává cca 5 μa, při měření a přenosu dat (cca 0,5 sekundy, typicky s periodou 5 minut) cca 12mA. Střední hodnota spotřeby tedy vychází 45μA. Při běžné kapacitě baterií AAA (tenké tužkové) 900 mah tak vychází doba života na jednu sadu baterií 900 / 0.045 / 24 / 30.6 / 12 = 2,3 roku IOT platformu lze stlačit na cca 15 ma. Pro stejnou sadu zdrojů tak vychází 900 / 15 / 24 = 2,5 dne. Je vidět, že micropower ISM přenos dat zatím není čím nahradit.
Úvahy o energy harvestingu Co je to energy harvesting? Jde v podstatě o kradení jinak nevyužívané zbytkové energie z procesů v okolí, která by stejně vyšla vniveč. Co máme v muzeu k dispozici za přirozené zdroje? mechanické pohyby rozdíly teplot osvětlení Bohužel ani jeden z uvedených zdrojů není schopen dodat ani potřebných 63 μw trvalého energetického přísunu. Nejslibnější je světlo, ale i tam, díky nízkým hladinám osvětlení a špatné účinnosti fotovoltaiky vychází harvestovací panely nesmyslně veliké (pro 100 lx a osvětlení 8/24 vychází panel cca 30 x 30 cm).
Pro ilustraci: Na ohřátí jedné náplně varné konvice potřebujeme cca 2 kw po dobu 3 minut, tedy 100 Wh. Na tento objem energie by RINGO dokázal pracovat nepřetržitě cca 250 let. Naproti tomu pro trvalý chod PAULa se dvěma biologickými senzory potřebujeme cca 5W trvalého příkonu. Energii akumulátoru z traktoru (150 Ah) spotřebuje PAUL za 15 dnů. Závěr: pro micropower čidla zachováme ISM radiový přenos a micropower procesory (nyní Atmega 328P PicoPower) pro vyšší vrstvy se rýsuje jednoznačná orientace na platformy IOT.
Děkuji Vám za pozornost. ( Ptejte se na co chcete, já na co chci odpovím ) Tento materiál si můžete stáhnout na http://www.amusing.cz/prezentace-151020.pdf