Главная
страница 1
УДК 681.518.5:681.128.63
И.В. БЫКОНЯ, В.Н.СКОВПЕНЬ, Р.В. ЛОГВИНОВ

I.V. BYKONYA, V.N.SKOVPEN, R.V. LOGVINOV


СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

MODERN METHODS OF CONSTRUCTION OF THE MEASURING SYSTEMS OF THE VEHICLE MONITORING
В статье рассмотрены тенденции в методах построения информационно измерительных систем мониторинга транспортных средств. Предложено использование системной шины операционной системы Linux как сигнальной прослойки машины состояния и метод построения программной архитектуры.

Ключевые слова: информационно измерительная система, мониторинг транспортных средств, Linux.
The article deals with trends in methods of construction of the measuring systems for monitoring vehicles. Proposed the use of the system bus Linux operating system as a signaling layer state machine and method for constructing software architecture.

Keywords: information and measuring system, monitoring of vehicles, Linux.
Динамика мирового рынка не позволяет с достаточной точностью определить его состояние на момент окончания разработки и выпуска первой партии высокотехнологичных устройств. Особенно остро данная проблема проявляется при проектировании систем контроля, сбора и обработки информации, так как данные системы состоят из большого количества устройств, причем часто различных производителей. Однако, для того, чтобы успешно конкурировать на рынке, совершенно не приемлемо привязывать данные блоки к конкретным датчикам, манипуляторам и прочему периферийному оборудованию. Так же, невозможна привязка к системам команд конкретных производителей периферии. Таким образом, важнейшими требованиями к головным модулям данных систем является быстрая адаптация к составляющим ее компонентам и наличие распространенных интерфейсов для их подключения. Данная задача находится на пике технического прогресса и решается ведущими отечественными и зарубежными компаниями.



Рисунок 1 — Аппаратная архитектура информационно измерительного комплекса мониторинга транспортных средств
На аппаратном уровне головные блоки рассматриваемых информационно измерительных систем представляют собой одноплатные компьютеры, построенные на базе ARM процессоров (Advanced RISC Machine, усовершенствованная RISC машина). Чаще всего используют линейки процессоров i.MX и Sitara компаний Freescale и Texas Instruments соответственно. Тактовая частота таких процессоров составляет от 700 до 1200 МГц. При этом, они имеют малые габаритные размеры, порядка 20 мм, и не требуют внешнего охлаждения, что позволяет разрабатывать компактные устройства без ущерба производительности. С точки зрения конструкции, данные устройства являются продуктом компиляции стандартных, проработанных в современной инженерной практике, решений. Основные же трудности при проектировании связаны с программным обеспечением и концепцией в целом. Аппаратная архитектура информационно измерительного комплекса мониторинга транспортных средств представлена на рисунке 1.

Связь с серверами осуществляется с помощью технологий GSM, EDGE, UMTS. Серверы включают в себя группу служб: хранилище телеметрии и конфигурации, командный сервис, сервис мониторинга. Как правило, нагрузка на один сервер достигает порядка 10-15 тысяч клиентов. В связи с этим межмашинные взаимодействия таких систем организуют без посредника, в виде сервера. То есть, одна из задач, решаемых данными систем состоит в объединении их в кластеры с помощью технологий удаленного вызова процедур (RPC, Remote Procedure Call). Наиболее распространенным подходом решения данной задачи является использование бинарного протокола Protobuf компании Google или технологии MQTT.

Головные модули системы работают на операционной системе Linux. Это дает ряд преимуществ в сравнении с другими системами, главными из которых является открытость платформы и наличие колоссального количества программных продуктов, доступных в исходном коде. Помимо этого, системная шина Linux DBus используется как сигнальная прослойка машины состояния. Программная архитектура информационно измерительного комплекса мониторинга транспортных средств представлена на рисунке 2.





Рисунок 2 - Программная архитектура информационно измерительного комплекса мониторинга транспортных средств
Несмотря на то, что производительность используемых в системе процессоров достаточно высока, для того чтобы увеличить потенциал масштабирования, используется асинхронная модель программной прослойки. Такая модель предусматривает использование нелинейных алгоритмов, функций обратного вызова (callback) и циклов событий (event loop). Работу с устройствами обеспечивает низкоуровневая прослойка, включающая в себя ядро Linux и системные низкоуровневые демоны (СНД). Такая модель позволяет выделить критические секции кода в отдельные процессы, что увеличивает устойчивость и надежность системы. Каждый СНД регистрирует интерфейс на системной шине, который содержит параметры конфигурации, сигналы и методы, предназначенные для получения данных с одного вида устройств и управления этими устройствами.

Бизнес-логика системы реализуется в высокоуровневой программной прослойке, включающей в себя менеджер процессов, базовые модули, модули расширения и базу данных. Задачами менеджера процессов являются: контроль за исполнением модулей; запуск необходимых модулей в случае их аварийного завершения или для удовлетворения зависимостей запущенных модулей; распределение ресурсов системы; корректный запуск и остановка высокоуровневой программной прослойки при выключении и включении головного модуля. Так же он может включать в себя главный цикл событий (main loop). Как правило, для разработки менеджера процессоров используют скриптовые языки программирования или языки, предоставляющие возможность встраивания скриптов. Наиболее распространенны решения на языках Python и Lua.

Не настроенная под конкретную задачу информационно измерительная система мониторинга транспортных средств включает в себя только базовые модули. Задача этих модулей состоит в том, чтобы обеспечить возможность быстрого разворачивания системы, подготовить платформу для межмашинного взаимодействия и запуска модулей расширения. Одной из ключевых особенностей рассматриваемых систем является возможность удаленной отладки модулей расширения непосредственно в головном блоке системы. За эту функцию отвечает модуль отладки и запуска. Модуль управления приемом и передачей принимает настройки, новые модули расширения и команды, также он отсылает на сервер матрицы состояния системы и объекта контроля, отладочную информацию.

Конфигурация и состояние системы, состояние объекта контроля хранятся в локальной базе данных, также база данных используется как буфер для хранения телеметрии в случае входа объектом контроля в зоны с низким уровнем покрытия сигнала. Все взаимодействия с базой данных производятся через одноименный модуль. Такой подход позволяет не ожидать завершения выполнения операции. В качестве локальной базы данных используются NoSQL решения MongoDB, CouchDB или хранилище ключ-значение (key-value) Redis. Выбор данных технологий обусловлен их быстродействием и ограниченностью ресурсов системы.

Описанная выше часть высокоуровневой программной прослойки является платформой для модулей расширения, в которых и реализуется бизнес-логика. Модуль расширения состоит из трех частей: генераторов событий, обработчиков событий и сервиса интерфейса системной шины. Каждая из этих составляющих может отсутствовать в зависимости задачи решаемой модулем.

Для подключения нового устройств к информационно измерительной системе мониторинга транспортных средств, спроектированной по описанной выше концепции, достаточно подсоединить устройство к одному из интерфейсов и загрузить необходимый модуль расширения. Причем останавливать работу всей системы не обязательно. Рассмотрим интеграцию нового устройства на примере цифрового емкостного датчика уровня топлива.

Подключаемый датчик уровня топлива имеет интерфейс RS-485, помимо уровня топлива в отсылаемых в головной модуль пакетах содержится значение температуры, получаемое с цифрового термометра, встроенного в датчик. После загрузки модуля расширения и подключения датчика к соответствующему разъему головного модуля измерительной системы, ядро Linux определит новое устройство, подключит драйвер RS-485 и создаст файл устройства вида ttyS[N] в каталоге /dev/. Системный низкоуровневый демон, отвечающий за интерфейс RS-485, получит сигнал о появлении нового устройства и создаст новый сервис в своем интерфейсе на системной шине. После чего он будет ожидать поступление новых данных. При получении нового пакета от датчика демон сгенерирует сигнал, в теле которого будет содержаться принятый пакет и продолжит ожидание. Загруженный модуль расширения подпишется на сигналы о состоянии уровня топлива, сразу после появления сервиса датчика уровня на системной шине, то есть сгенерированный демоном сигнал вызовет функцию-обработчик в модуле. Функция-обработчик разберет полученный пакет и, вызвав соответствующую функцию модуля взаимодействия с базой данных, изменит показатели уровня топлива и температуры в матрице состояния объекта контроля. Модуль приема и передачи вышлет на сервер матрицы состояний в соответствии с конфигурацией системы.

Предположим, что в систему необходимо добавить контроль за пробоями в топливном баке или несанкционированным сливом топлива. В простейшем случае для реализации данной задачи достаточно добавить в модуль расширения сохранение предыдущего значения уровня и времени получения пакета, тогда сравнивая с ними текущие показатели, можно сделать вывод о наличии пробоя или слива топлива. После чего производится отправка сообщения оператору, а вызовом функции на низкоуровневом системном демоне GPIO производится зажигание соответствующего светодиода на приборной панели транспортного средства.

Информационно измерительная система мониторинга транспортных средств, разработанная по описанной выше концепции обладает высоким потенциалом горизонтального и вертикального масштабирования, не привязана к периферийным устройствам и системам команд, быстро перестраивается для решения разносторонних задач. Обслуживание таких систем могут производить специалисты средней квалификации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Джордж Лоутон Перспективы технологии межмашинного взаимодействия [Электронный ресурс] - http://www.onegsm.ru/osnov.php?idstat=72&idcatstat=26

2. Процессоры ARM [Электронный ресурс] - http://www.ti.com/ww/ru/embedded/arm/

3. Бовет Д., Чезати М. Ядро Linux [Текст] / Д. Бовет, М. Чезати – СПб.: БХВ-Петербург, 2007.

4. dbus [Электронный ресурс] - http://www.freedesktop.org/wiki/Software/dbus/
Быконя Илья Владимирович, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК», студент магистратуры,

+7 (920) 860-90-87, fergus@inbox.ru



Сковпень Владимир Николаевич, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК», к.т.н., доцент,

+7 (4862) 41-45-74, est.oryol@gmail.com



Логвинов Роман Васильевич, Орловская региональная академия государственной службы, старший преподаватель,

+7 (4862) 47-75-19


Смотрите также:
Современные методы построения информационно измерительных систем мониторинга транспортных средств
72.93kb.
1 стр.
Исследование и разработка структур баз геоданных информационно-телекоммуникационных систем
202.23kb.
1 стр.
Программа по дисциплине надежность информационных систем краснобаев Ю. Л
44.51kb.
1 стр.
Case-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем
1889.96kb.
10 стр.
Внедрение методик статистического управления процессами и анализа измерительных систем
101.08kb.
1 стр.
Лабораторная работа №3 «Моделирование файловых систем»
183.04kb.
1 стр.
Разработка и исследование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат
167.37kb.
1 стр.
Автобусы полной массой до 5 т
32.52kb.
1 стр.
«Введение. Принципы построения операционных систем»
424.92kb.
5 стр.
Разработка информационно-энергетической структуры авиационной системы электроснабжения
39.88kb.
1 стр.
Методы построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде
395.68kb.
3 стр.
Программа подготовки водителей транспортных средств категории "B" общие положения программа подготовки водителей транспортных средств категории "
711.27kb.
4 стр.