Модел за имплементација на Интернет на нештата (IoT) во индустријата, базиран на лесно достапни хардверски платформи

Transcription

1 Универзитет,,Св. Климент Охридски" Битола Факултет за информатички и комуникациски технологии Модел за имплементација на Интернет на нештата (IoT) во индустријата, базиран на лесно достапни хардверски платформи магистерски труд Ментор: Ред. Проф. Д-р. Александар Маркоски Изработил: Благој Ристовски 1 99/11 - II циклус

2 Содржина: Акроними: Вовед Карактеристики на IoT Безбедност на IoT Технологија технолошки трендови Апликации Придобивки од IoT IoT станува реалност? БСМ Безжични сензорски мрежи WSN (Wireless Sensor Network) Историски развој на Безжичните Сензорски Мрежи Дизајн на безжична сензорска мрежа Стандарди кај БСМ Архитектура на БСМ Контролер Меморија Сензори Актуатoри Комуникациски Модул Напојување Оперативни системи Имплементација M2M/IOT (Machine to Machine) Системска Архитектура Индустриска електроника и автоматизација Енергетски електронски компоненти PLC - (Programmable Logic Controller) - уреди Програмирање на PLC уредите

3 3.2.2 Процес на "off-line" програмирање и пуштање во работа: Процес на "on-line" програмирање и пуштање во работа: Визуализација HMI (Human-Machine Interface), SCADA (Supervisory control and data acquisition) Комуникациски системи Дискретни настани за системска контрола Интегрирани технологии Вградливи системи во реално време Ad Hoc мрежи Сензорски мрежи Виртуелни приватни мрежи VPN (Virtual Private Network) VPN може да се опише како мрежа којашто обезбедува безбедни, приватни пораки со користење на постојана јавна, несигурна мрежна инфраструктура, како што е Интернетот. Во овај контекст, може да го напомене следното: VPN Конфигурации WLAN безжична технологија за фабрички хали Архитектура на мобилните луѓе MPA (Mobile People Architecture) Поврзување на фабричките хали со интернет Безбедност во мрежите за автоматизација на индустриско производство Основни безбедносни прашања Заеднички мерки за безбедност Дефинирање на методи и пилот платформа за практична имплементација на IoT концептот Лесно достапни и финансиски исплатливи уреди nrf24lo1+ Single Chip 2.4Ghz Transceiver Технички карактеристики DHT11 Humidity & Temperature Sensor Сензор за мерење на температура и влажност на воздух Технички карактеристики XBee S1 Module Технички карактеристики Адаптери за програмирање на Xbee модули

4 UART SBee V Технички карактеристики: UARTSBee V Технички карактеристики: Спецификација: Апликации за програмирање на Xbee модули Relay Shield V1.3 со вграден Xbee-ZigBee адаптер Arduino-UNO Технички карактеристики Raspberry PI Технички карактеристики ARPI600 Expansion Board за Raspberry Pi Arduino конекција Технички карактеристики: Поединечни објаснувања Развој на IoT пилот апликација Инсталирање на Apache Web Server Инсталирање на MySQL база на податоци Изработка на Web апликација Изработка на апликација за уредите Arduino-Uno Семплирање на сигнали од сензорите DHT Испраќање на примените вредности од сензорите преку nrf24l Примање на вредностите во збирен нод во Arduino-UNO Сериска комуникација на Arduino-UNO и Raspberry Pi Контрола на Relay Shield од преку Raspberry Pi и Xbee модулите Заклучок За понатамошно истражување и развој на проектот

5 Акроними: A/D - Analog-Digital - аналогно-дигитални ковертори ActiveX активна компонента со дефиниран интефејс Ad Hoc Networks мрежи кои се формираат спонтано помеѓу уредите AO - Architecture Object архитектура на објектно програмирање API - Application Programming Interface апликација-нтерфејс за програмирање ASA - Advertising Standards Authority стандарди за проверка на антентичност при рекламирање ASS - Application Services System - апликација за систем услуги B Bytes Baud единица за мерење на проток на податоци Bluetoоth меѓународен стандард за безжична комуникација со краток-домен CAD - Computer-Aided Design - компјутерско-потпомогнат дизајн CAM - Computer-Aided Manufacturing - компјутерско-потпомогнато производство CDMA - Code Division Multiple Access широкопојасен стандард за мобилни системи CIM - Common Integration Model компјутерски интегриран производствен модел Cloud computing - складирање на податоци во виртуелни бази на податоци облачиња CNC - Computer Numerical Control - нумеричко управување со машини CSMA-CA - Carrier Sense Medium Access Collision Avoidance протокол за избегнување на судири при безжична комуникација CSPRNG - Cryptographically Secure PseudoRandom Number Generators безбедносен криптогравски генератор на случајни броеви CTS - Clear to Send Control Input - контрола за испратениот сигнал (одговор) D/A - Digital-Analog - дигитално-аналогни конвертори DARPA - Defense Advanced Research Project Agency - САД Data deluge - потоп од податоци (голем прилив на податоци) Data Pipe канали за проток на податоци 4

6 Dial-Up телефонска врска (телефонска линија кај модем) DSC - Dynamic Stability Control контрола за динамчка стабилност DSI Device Scaleable Integration - општите и посебните спецификации на уредот DSP - Digital Signal Procesor - процесори за дигитална обработка на сигнали DSSS - Direct sequence spread spectrum - дирекна секвенца од проширен спектар DS-UWB - Direct Sequence Ultra-Wide Band дирекна секвенца утра-краток бран EB Exabytes 1 bilion gigabytes ECU - Engine Control Unit електронска контролна единица EDD Electronic Device Description опис на електронскиот уред EDDL - Electronic Device Description Language технички изрази-синтакса за опис на електронскиот уред EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory - меморија која може повеќепати да се брише и да се запишува одново Embeded вградени или додадени (уреди, компоненти) ESC - Electronic Stability Control контрола за електронска стабилност ESP - Electronic Stability Program програми за електронска стабилизација ETSI - European Telecommunications Standars Institute Европски Институт за телекомуникациски стандарди FAN - Field Area Networks мрежно поле (во индустриски погони) FDF - Full-Device Function уреди со комплетни функции FFD Factory Floor Deployment Фабричко распоредување-опремување FHSS - Frequency hopping spread spectrum - импулсна фреквенција FireWall - заштита од надворешни упади во мрежата FLASH - понапредна варијанта на меморија, разликата е во запишувањето на податоците GB 1 gigabytes - приближно да се испратат емајли GND - Device Ground Supply стандардна ознака за негативен конектор GPRS - General Packet Radio Service GSM - Global System for Mobile communications глобален систем за мобилна комуникација HDMI - High Definition Multimedia Interface аудио и видео интерфејс со висока резолуција HMI - Human-Machine Interface интерфејс помеѓу човек и машина 5

7 HTML - Hyper Text Markup Language програмски јазик HTTP - HyperText Transfer Protocol - интернет протокол IEEE Institute of Electronic Engineering Association Институт за електронски инжинеринг Interupt прекин на извршување на програмата IoT Internet of Things - Интернет на нештата IP - интернет протокол ISA - Industry Standard Architecture стандарди за индустриска архитектура ISO/OSI -International Organization for Standardization / Open System Interconnection model Интернационална организација за стандардизација / Отворен систем за интерконекција IWSN - Industrial Wireless Sensor Networks - индустриски безжични сензорски мрежи Java - програмски јазик KB - kilobyte KeyWords клучни зборови (во табели, програмирање) LAN - Local Area Network локална мрежа LC - Logic Control - логичка контрола LDAP - Lightweight Directory Access Protocol мрежен протокол од пониско ниво LR-WPAN - Low Rate - Wireless Personal Area Network безжична мрежа со мали брзини на пренос на податоци M2M Machine to Machine систем на комуникација машина-машина MAC - Media Access Control протокол за пристап до медиум MACA - Multiple Access with Collision Avoidancе - протокол за избегнување на коализија при поголем прилив на податоци MAP - Manufacturing Automation Protocol протокол за автоматизација на производство Master-Slave - управувачко/извршувачки систем MB - megabyte MC - Motion Control контрола на движење MPA - Mobile People Architecture - архитектура на мобилните луѓе MTS - Message Transport System систем за испраќање на пораки NCAP - Network Capable Appplication Processor стандарди за дефинирање на интерфејсот на трансдјусерот 6

8 NCx - Normally Closed нормално затворен контакт кај реле NRZ - Non-Return-to-Zero начина на кодирање на податоците NTSC - National Television System Committeе комитет за национална телевизија САД Систем за емитување на сигнал NОx - Normally Open нормално отворен контакт кај реле OEM - Original Equipment Manufacturer оргиналност на производителот OS - Operating System оперативен систем OSACA - Open System Architecture for Controls within Automation Systems - отворена системска архитектура за контрола во рамките на автоматски системи OSI - Open Systems Interconnection - отворен систем за интерконекција PAL - Phase Alternating Line Алтернативен систем за емитување сигнал PAN - Personal Area Network персонална мрежа Peer-to-Peer топологија на мрежа еден-на-еден PHY- Physical layer физички слој од податочната врска PLC - Programmable Logic Controller програмибилни логички контролери Plug-and-Play вклучи и продолжи со работа PP - Profile Protection профили за заштита PRNET - Pаcket Radio NETwork PROM - Programmable Read-Only Memory - меморија која се запишува само еднаш QoS - Quality-of-service барања за квалитет на сервисот-услугите RAM - Random Access Memory меморија за повремен пристап RC - Radio Configuration конфигурација на радио уреди RCA Radio Corporation of America ознака за аудио-видео конектори Receiver приемник RFD - Reduced-Function Device уреди со редуцирани функции RFID - Radio Frequency IDentification идентификација со радио фреквенција ROM Read-Only Memory постојана мемораија за читање RTS - Real Time System системи во реално време RTSCO - Request to Send Control Output ознака за барање за испраќање на сигнал 7

9 RX - Receive Asynchronous Data Input ознака на пин за прием на сигнал SCADA Supervisory control and data acquisition систем за контрола на извршување на апликацијата sink, gateway node - собирачки нодови SMS - Short Message Service срвис за кратки пораки SNMP - Simple Network Management Protocol мрежен протокол од повисоко ниво SOC - Systems-On-a-Chip ситеми на чип (модули) SPI - Serial Peripheral Interface сериски интерфејс SQL - System Query Language програмски јазик за пристап до база на податоци и нивна обработка SS - Security Standard стандарди за безбедност STIM - Smart Transducer Interface Module.- стандарден протокол за паметни трансдјусери TDMA - Time Division Multiple Access - временски синхронизиран протокол (мулти) TEDS - Transducer Electronic Data Sheets - стандарди за дефинирање на мемориските уреди поврзани со трансдјусерот Transmiter - предавател TSMP - Time-Synchronized Mesh Protocol - временски синхронизиран протокол TX - Transmit Asynchronous Data Output ознака на пин за испраќање на сигнал UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter универзален сериски адаптер за програмирање и комуникација со вградени уреди VCC Voltage at the Common Collector стандардна ознака за позитивен напон на уредот VPN - Virtual Private Network виртуелна приватна мрежа WAN - Wide Area Network широкопојасна мрежа WEP - Wired Equivalent Privacy жичан еквивалент за приватност при безжична комуникација WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access - 4G технологија Wireless LANs WLANs Wireless Local Area Network безжични локални мрежи WirelessHART протоколи за безжични комуникации WLL - Wireless Local Loop безжична локална клучка WSN Wireless Sensor Network безжични сензорски мрежи 8

10 WWW - World Wide Web Xbee, ZigBee протоколi за безжични комуникации XML - extensible Markup Language програмски јазик 9

11 Апстракт: IоT (Internet of Things) или Интернет на Нештата во поширок контекст. Моќта на индустриските ситеми и бизнис вредноста на самите претпријатија, почнува да зависи од интернет апликации кои во реално време примаат и обработуваат секаков вид на податоци. Растечката присутност на RFID радио фреквенција за идентификација и WSN (Wireless Sensor Networks) безжичните сензори и сензорски мрежи доведоа до прeдизвик да се развијат повеќе гранки во информатиката, како индустриска информатика, информатичка и комуникациска технологија или општо кажано Интернет на Нештата IoT (Internet of Things). Овој труд од една страна има за задача да ги претстави и сумира досегашните постигнувања во индустриските системи, а воедно да даде придонес за поддршка при донесување на одлуки во динамички средини. Доколку се размислува за иднината на претпријатијата поврзана со интернетот во целост, можи да стане интересна за претпријатијата кои сакаат да инвестираат во развој на мобилни апликации или комлетни системи со динамичен дизајн, кои собираат податоци во реално време од индустриските процеси кои се одвиваат во моментот. Клучни зборови: Internet of Things, Интернет на нештата, безжични сензори, безжични сензорски мрежи, нодови, информатичка технологија, комуникациска технологија, индустриски системи, мобилни апликации Abstract: IоT - Internet of Things, in terms of a wider context. The power of industrial systems and the value of companies themselves have started to depend on the internet applications which receive and process any kind of information within a real-time. The increasing presence of Radio-frequency Identification (RFID) as well as of the Wireless Sensor Networks (WSN) and sensor networks has resulted into a challenge which requires developing more information areas regarding both industrial information and information and communication technology, or generally speaking Internet of Things (IoT). This work has a task to introduce and summarize the achievements within the industrial systems, on one hand, and on the other, to give its contribution and support when making decisions on dynamic areas. Concerning the future of companies internet, it might become an issue of interest to companies which are willing to invest in developing mobile applications or complete systems with dynamic design which collect data in real-time from the ongoing industrial processes. Key words: Internet of Things, wireless sensors, wireless sensor networks, nodes, information technology, communication technology, industrial systems, mobile applications. 10

12 1. Вовед Предизвиците кои ни ги наметнува брзиот развој на технологиите е тесно поврзан со информатичката технологија. Под производство се подразбира систем на создавање на производи со додадена вредност преку различни производствени ресурси, како што се машини алати и работна сила. Меѓутоа, во дизајнот и функционирањето на производствените системи, секогаш е потребно донесување повеќе видови одлуки на сите нивоа и деловни активности. Се разбира, брзата и ефективна одлука не зависи само од правилно расудување во одлучувачкиот момент, туку е тесно поврзана и со брза обработка на квалитетни податоци. Брзата обработка на податоци е незамислива без брз процесор за обработка на податоци. Секоја голема промена во производството е поддржана од најнапредната Информатичка Технологија која е развиена во моментот. На пример, развојот на микропроцесорот придонесе до развивање на флексибилни системи и индустриски роботи кои потпомогнаа производството да доживее своја револуција. Значајни технологии кои навистина го изменија светот се системите за нумеричко управување со машини CNC (Computer Numerical Control), компјутерско-потпомогнат дизајн CAD (Computer-Aided Design) и компјутерскопотпомогнато производство CAM (Computer-Aided Manufacturing). Во денешно време не може да се замисли производствено претпријатие без интегрирање на некои од овие системи. Развојот на претпријатијата се темели врз професионалните провајдери на ИТ услуги и софвер, кој ќе ги замени или унапреди веќе постоечките системи. Затоа е многу важно да се знае и оцени колкаво е влијанието на ИТ технологијата врз револуцијата на производствените процеси, во време кога ИТ секторот станува сè повлијателен во секое поле од нашиот живот. Потребата за поддршка на донесување одлуки на системи во динамични средини, значи разбирање на инфраструктурата на ИТ технологиите и она што можеме да очекуваме од нив. Како нова технологија, Интернет на нештата (IoT) привлекува големо внимание и очекувања да даде голем придонес во многу области. Интернетот на нештата се однесува на уникатна идентификација на вредности и нивно виртуелно прикажување во интернет структурата. Терминот Internet of Things за првпат се користи од Kevin Ashton во 1999 година и станува синоним за поврзување на нештата преку интернет. RFID (Radio Frequency IDentification), сензорите, актуаторите, мобилните телефони, често се гледаат како предуслови за појавувањето на Интернет на Нештата. Всушност, клучните технологии на IoT вклучуваат радио-фреквентна технологија, сензори, сензорски мрежи, интернет технологијата и интелигентни компјутерски технологии. Тука неминовно се вклучени и безжичните индустриски системи, кои се добро прилагодени за брзо и ефикасно прибирање и анализирање на податоци во реално време. Безжичните нодови се од суштинско значење за прибирањето на податоците. Така, постојано можеме да бидеме снабдувани со голем број податоци од најразлична околина. За анализа на повеќе типови на податоци потребни ни се и интерфејс уреди кои ќе ги прибираат тие податоци за понатамошна обработка. Со брзиот развој на IoT, големите производители се посветени на истражување на комбинирање на повеќе сензори, во смисла, со еден уред да се добијат повеќе податоци за околината. Од ова, логички следува дека повеќе податоци захтеваат и помоќни микро-контролни единици, кои 11

13 ќе можат тие податоци и да ги обработат. Како последователна врска, производителите на микроконтролери, развиваат процесори со три основни перформанси: брза обработка на податоци, ниска цена и мала потрошувачка на енергија. Меѓутоа, во различни индустриски безжични сензорски мрежи се вклучени голем број на комплексни сензори. Тоа би значело дека секој сензор има свои барање за отчитување на вредности, а различни корисници имаат свои потреби-апликации за презентирање на тие вредности. Зависноста се зголемува и понатаму, бидејќи сега има потреба од пишување на комплексни процедури-кодови за комуникација помеѓу сензорите и останатите уреди во склопот наречен Интернет на Нештата. Со цел да се стандардизира широкиот спектар на интелеигентни сензори на пазарот и да се реши проблемот со компатибилен интерфејс, здружението за електронски инжинеринг IEEE (Institute of Electronic Engineering Association), постави стандарден интерфејс, протокол пакет IEEE1451 за паметни трансдјусери STIM (Smart Transducer Interface Module). Протоколот предвидува спецификација со дефиниции за интерфејсот на сензорските податоци. Како пример може да се наведе автоматското пребарување на мрежата, со што се промовира и пребарување на мрежа во индустриска околина. Слика 1. Модел IoT Embeded вградени системи, можат да се најдат насекаде во секојдневниот живот околу нас. Во споредба со сервер-клиент компјутерски платформи, вградените системи се со многу помала потрошувачка на енергија, поефтини и се многу полесни за дизајнирање според потребите. Ваков фиксен дизајн или негови ограничени варијации на хардвер, овозможува и користење на поедноставни оперативни системи OS (Operating System). Последните години микроконтролерите беа единствениот ефикасен начин за спроведување на вградени системи. Со нивната програмабилна фунционалност, способни се за извршување на секвенци од основни инструкции кои обично се чуваат во постојана меморија за читање ROM (Read-Only Memory) или во чип-флеш меморија. 12

14 Преку сите овие технологии, можеме да поврземе различни физички објекти и одредени апарати, преку систем за уникатно обраќање, со интернетот како основна структура. Ова овозможува објектите да комуницираат и соработуваат меѓусебно, со цел да се постигнат заеднички цели и се подобрат очекуваните резултати. Во секој случај сите овие технички предизвици мораат да бидат функционално проверени, за да бидат широко применувани. Целта на овој магистерски труд е да ги истражи, анализира и објасни основните концепти, хардвер, софтвер, протоколи и комуникации кои се среќаваат во IoT, со осврт на можната примена во ондистријата, и реализација на концептот преку развој и практична имплементација на микроконтролери со достапна цена и значајни перформанси, ки се нудат на пазарот во овој момент Карактеристики на IoT Интернет на Нештата може да се дефинира како Следниот бран на технолошка револуција каде милијарди уреди ќе имаат виртуелна застапеност на Интернет. IoT вообичаено се потпира на вградени уреди, дистрибуирани географски комуникации преку интернет протоколи, за да им помогне на луѓето да ги премостат физичките далечини помеѓу нив. Меѓутоа, луѓето почнуваат да ги согледуваат потенциалните вредности на IoT, а нејзините форми и начини на употреба ќе се прошируваат и надвор од она што го знаеме денес. Ова ветува дека IoT ќе го револуционизира светот од страна на поврзување на милијарди микроконтролер-базирани уреди со милиони веб-базирани апликации и милијарди корисници. Со новите IoT модули ситеми-на-чип SOC (systems-on-a-chip), сега е можно да се создаваат поврзани уреди, без зголемување на основните трошоци за производите. Се разбира, како и во секоја индустрија во прв момент ќе изгледа чудно, дали и ние треба да бидиме поврзани и да ја знаеме во секое време температурата во нашиот дом, да знаеме каде се наоѓа нашиот автомобил, па дури и дали е доволно ладна температурата во нашиот фрижидер. Но, со текот на времето луѓето ќе почнат да се прашуваат како воопшто живееле без тие додатоци и без тие податоци. Во историјата на електрониката оваа ситуација постојано ни се повторува. Како и сите технолошки-базирани процеси, секоја нова индустрија создава своја рамка во полето на развој, која ја вклучува постоечката технологија и едно парче на нова технологија. Затоа, со сигурност може да се предвиди дека IoT ќе користи некои клучни аспекти на сегашната индустриска технологија, а ќе се имплементираат и некои нови хардверски и технолошки технологии како што се: - Микропроцесори и комуникациски чипови, кои се базирани на брзиот развој на полупроводниците (транзистори со големина на еден електрон); - Интернетот со својата комбинација на уред-базирани (device-based) агенти и веб сервери, кои секој ден се поставуваат за користење; 13

15 - Cloud computing складирање на најразлични форми на податоци во облачиња до кои може лесно да се пристапи од било каде во светот, во секое време; - Инфраструктурни поврзувања, како мобилни, безжични и фиксни мрежи, кои истражуваат нови начини на пратење на податоците и обработените вредности; - Развој, дизајн и производство на алатки потребни при создавањето на нови производи и апликации; - Иновации, кои ќе бидат катализатори за брз развој на IoT. За сето ова заедно да постои и функционира, постои потреба од уреди, поврзување и интерфејс апликации кои мораат да бидат лесни и широко прифатени за користење. Исто така е многу важно да бидат со ниска цена, за да бидат достапни за секого. Индустријата континуирано се развива од постоечките решенија, но за да постои напредок потребни се иновации Безбедност на IoT Без солиден механизам за безбедност при комуникацијата на IoT, не може да се зборува за правилни креации за развој, во сите делови на индустриските системи. Додека не се осигура сигурен пристап на влезните и излезни податоци, не може да се очекува раширена имплементација на овие системи. Кога се зборува за сигурност, се мисли на сигурноста кога информациите поминуваат низ најразлични делови од надворешните системи и системите од кои се зависни. Наједноставен пример би бил со следењето на локацијата на едно лице во системот на еден индустриски процес. Тоа е задоволувачка опција за работодавецот, доколку лицето се изгуби низ фабричките хали. Меѓутоа, лицето може и да се чувствува и непријатно, поради неговата приватност ако се знае постојано за неговата локација (пример, одењето во тоалет). Основни одлики кои се важни при креирање на системот IoT: Информациите треба да бидат достапни постојано: Ова претставува основното ниво на безбедност. Ако информацијата задоцни или е украдена од натрапник и се добие временски подоцна, тоа би значело дека ја губи својата вредност и е неупотреблива. Самото убедување дека услужните апликации, со нивната основна инфраструктура може да обработуваат, чуваат и реализираат секаков тип на податоци е првиот аспект на безбедносниот систем. Во посебни случаи, второстепена инфраструктура би можела да ги обезбедува овие услови; Информациите мора да бидат доверливи: Оттука, сопственикот на информацијата одлучува кои авторизирани лица, групи или организации имаат пристап до информациите. Заштитата на информациите добиени од IoT сервисите е од суштинско значење, во спротивно се губи довербата од страна на корисниците. Сите постоечки заштитни механизми мора да 14

16 бидат активни, за да се обезбеди доверливост на информациите што се разменуваат. Ова претставува тешка работа за да може да се балансира, затоа што постојат низа на IoT поврзани сервиси, дизајнирани за размена на влезни податоци и генерирање на излезни податоци-сервиси. Опцијата, комплетна оптимизација на податоците е главен субјект за владеење на IoT; Интегритетот на податоците треба да е веродостоен: Гаранцијата дека податоците се точни, автентични, навремени и целосни е клуч за веродостојност на податоците. Доколку на податоците не може да им се верува, тоа значи дека нема можност да се користат понатаму за предвидената намена, целата парадигма за корисност од тие податоци се прекинува. Сигурноста на системот е добра, сė додека е во можност да биде спречена и последната закана. Во случај да овој систем е пробиен, треба да се обезбедат нови, посигурни механизми за заштита. Хакирањето на кредитни картички на корисници на Интернет услуги и плаќања е некаква индикација за предизвиците со кои се соочува и инфраструктурата на IoT услугите. За да биде целосно прифатен еден идентификационен систем, мора да постои добро техничко решение за да истовремено се гарантира и приватноста и безбедноста на корисниците. Иако во повеќе случаи сигурносните системи се вградени како додатни функции на постоечките, постои мислење дека IoT ќе се интегрира во моментот кога безбедносните механизми и решенијата за приватност се постават на прво место. Изборот на механизми и додатоци за сигурност ќе продолжи да се одредува од стана на влијанието на деловните процеси. Исто така постојат голем број на прашања поврзани со идентитетите на луѓето. Ова е суштинско прашање кое насекаде различно се толкува, и мора да се реши во политиката и законодавството во секоја земја посебно. Како пример странски инвеститор при мониторинг на една фабрика мора да внимава на законите кои ја штитат приватноста во земјата во која се наоѓа фабриката, а не според стандардите кои се однесуваат во земјата од која доаѓа Технологија технолошки трендови Во годините што доаѓаат, четири различни макро-трендови ќе ја обликуваат иднината на IoT. Заедно со експанзијата на минијатурните интелигентни уреди ќе се конституира правецот на понатамошниот развој на Интернетот на Нештата. Првиот тренд, уште и таканаерчен потоп од податоци (data deluge), претставува самата експлозија на количината на податоци кои се прибираат и разменуваат. Само за да се има јасна претстава за што се зборува, ќе напоменам дека во 2015 година се складирани повеќе од 220 Ексабајти (Exabytes, 1 EB = bytes) податоци насекаде во светот. Јасно е дека моменталната интернет структурна мрежа не е дизајнирана да се справува со вакво експоненцијално зголемување на сообраќајот на податоци. Току затоа е неминовна потребата од редизајнирање на нови мрежи и нов тип на складирање на податоци. Најголем предизвик ќе биде да се најде нов начин на пренос и складирање на податоци. Релевантна 15

17 причина за ова е постојаното зголемување на бројот на електронски уреди кои се користат и зависат од тој пренос на информации. Вториот тренд се однесува на енергијата која ја користат интелигентните уреди којашто мора во иднина драстично да се намалува. Големите центри за размена на податоци веќе го достигнаа максимумот на потрошувачка на енергија. Понатамошното зголемување на енергијата во такви системи веќе станува опасно. Поради тоа се бараат константни и нови извори на енергија. Најновите истражувања се движат во правец на потрага на нулто ниво на додатна енергија, односно уредите или системите ќе мора сами да собираат, обезбедуваат своја енергија. Третиот тренд е поврзан со минимализацијата на уредите што исто така се случува екстремно брзо. Објективно, конструирањето на single-electron transistor е сė поблиску, што претставува и крајна граница, барем до моментот на пишување на овој магистерски труд, односно сė до моментот кога ќе има нови откритија во физиката во врска со атомите. Доста важен тренд е и автономијата на ресурсите. Постојано растечката сложеност на ситемот, донесува и нови својства на уредите, како што се самоуправување, самопоправање и автоконфигурација. Денес, скоро секој мобилен телефон ги има овие атрибути. Самиот се управува, надоградува-апдејтира, ресетира-поправа и се конфигурира врз основа на локацијата на која се наоѓа. Важно е да се знае дека иновацијата во логистиката во основа овозможува подобрување на ефикасноста на процесите или овозможува додавање на нови корисни функции. Денешната логистика се базира врз воспоставен синџир на снабдување од производители до потрошувачи. Синџирот на снабдување е направен врз основа на правен договор и актуелните законски прописи и правила, и е различен во секоја земја. Меѓутоа, во виртуелна реалност потрошувачите можат за многу кратко време да направат пазар, односно побарувачка на пазарот со делови кои се автоматски идентификувани од IoT. Ова комплетно го менува начинот на кој се прави бизнис, бидејќи клиентот не може да биде ставен во ред при голем обем на работа, туку автоматски ќе биде префрлен кај друг произведувач и стоката ќе му биде испорачана без тој да знае дека системот ја пренасочил порачката, и сето ова за да се добие во време Апликации Пред апликациите да станат реалност во индустриско опкружување, потребно е да се направи многу експериментирање и тестови. Систематскиот пристап на креирање на апликации за IoT вклучува комплетна конфигурација на безжичен систем за следење и контрола. Техничките предизвици ги вклучуваат параметрите за ефикасност, дизајн на енергетски ефикасен протокол, рутирање, канален пристап и распоред на следење на информациите. Сите овие параметри се поврзани со претходна анализа во сите правци. ИТ иновациите развиваат индустриски решенија кои се попаметни и побезбедни, со оптимизирани ресурси и поддршка на специфични решенија кои помагаат да се исполнат 16

18 предизвиците за развоj во индустриското производство. Оптимизираните микропроцесори, со поддршка на широк спектар на апликации, вклучуваат паметни мрежи, индустриска автоматизација, паметни домови-згради, контрола на индустриски мотори, тестирања, мерења со широк спектар на сензори, кои се поддржани и поедноставни со развојот на софтверот. Системите за контрола, автоматизација во фабриките, автоматска оптичка инспекција, управување со сообраќај и многу други индустриски системи се предизвик за развој на апликации Придобивки од IoT Придобивки во индустријата Во индустриски средини Интернетот на Нештата, ги добива максимално своите бенифиции. Ова е особено корисно во места каде е тешко и скапо да се инсталираат жичани врски и електрични разводни кутии. IoТ обезбедува одлични решенија за поврзување уреди и нивно електрично напојување во услови на строги барања и ограничувања за животната средина. Со намалувањето на количината на употребен кабел се намалуваат и трошоците за каблирање, за што не е потребна квалификувана работна сила за поставување на тие кабли. Уредите како што се сигурносните камери и надворешни безжични акцес-поинти, најчесто се тешко достапни за жичана инсталација во индустриски објекти. Plug-and-play: Уредите кои се со вградено напојување се лесно преносливи од една до друга локација, каде што е достапен пристап до Интернет, што значи дека нема потреба од додатно каблирање за електрично напојување. FFD (Factory floor deployment): Фабричко распоредување-опремување, вклучува инсталирање на безбедносни камери, инспекциски камери за контрола на процесот, сензори, акцес-поинт, HDMI (High Definition Multimedia Interface) уреди, RFID читачи, тач панели и останата опрема. Сите овие придобивки од Инетернет на Нештата, полека се вклучуваат и во останатите делови од нашето опкружување, како: Комерцијален авиотранспорт Железнички сообраќај Производство на енергија Фосилни горива производство и транспорт Здравствена заштита 17

19 1.6. IoT станува реалност? Сė поголемата присутност на ембедед-додадени или вградени уреди постојано се случува насекаде околу нас. На пример, електрични тостери кои сега се нудат на пазарот, не доаѓаат само со термостат за регулирање на температурата, туку и со процесорска единица која може да ја контролира не само температурата, туку и времето на печење на тостот, сė додека не ја добиеме и саканата боја на парче тост, а истовремено со додадена функција за безбедност, како на пример самоисклучување при подолготрајна неупотреба. Се произведуваат замрзувачи-фрижидери кои следат што се става во нив и го мониторираат процесот на распаѓање на храната што се наоѓа во нив. За сосостојбата на процесот кој се набљудува можете и вербално да бидете известени без да го отварате фрижидерот. Постојат енергетски паметни системи за греење, кои генерираат извештаи за активностите во домот и пренасочување на греењето во различни простории каде што е потребно, со што придонесуваат за драстично намалување на потрошувачката на енергија. Електрификацијата на возилата веќе масовно се случува и во следните неколку години секој автомобил ќе содржи повеќе од 50 проценти електроника од неговиот претходник пред само пет години. Автомобилите во иднината ќе бидат комплетно опремени сами да возат и да се паркираат. Постојани промени со вградени паметни процесори и уреди се случуваат насекаде околу нас. Поврзувањето на овие паметни уреди во единствената мрежа Интернет, секојдневно се случува. Интернетот на Нештата ќе се смести во секој аспект на нашиот живот, за помалку од една деценија. Останува прашањето дали сме сите ние подготвени за тоа? 18

20 2. БСМ Безжични сензорски мрежи WSN (Wireless Sensor Network) Ако историски се разгледува безжичното комуницирање помеѓу луѓето, слободно може да се каже дека тоа постоело многу одамна. Се остварувало преку разни начини, тропање во тапани, палење оган, чадни завеси со одреден ритам и слично. Меѓутоа, за вистински почеток на безжичната комуникација може да се обележат истражувањата на Maxwеll и Herz, научници кои ги поставија основите на прострирање на електромагнетните бранови. Никола Тесла беше првиот кој демонстрираше пример за пренос на информација со помош на електромагнетни бранови, односно тоа беше и прв безжичен комуникациски систем. Marconi, подоцна интензивно работи на истражување на пренос на податоци и е нарекуван во светот како иноватор на полето на безжични комуникации, за што и во 1909 година добил и Нобелова награда Историски развој на Безжичните Сензорски Мрежи Периодот помеѓу двете светски војни е познат по воведувањето на радиото, а подоцна и безжичниот пренос на телевизиски сигнал, но овој вид на пренос е реализиран само во еден правец (oнe-диреркционен пренос). Многу брзо после тоа комуникацијата во двата правци станува неминовна (би-дирекциони). Секако е јасно дека прва примена и истражување околу тоа наоѓаме кај полицијата и војската. Првиот мобилен телефонски систем е инсталиран во САД во градот Сент Луис. Овој систем работел преку сопствен интерфејс кон јавната телефонска мрежа, а комутацијата се остварувала рачно преку оператор кој се наоѓал во централата. Со вкупно 6 канали овој систем многу брзо се загушил. Овој недостаток бил предизвик на компанијата АТ&Т и заедно со лабараторијата на BELL наоѓаат решение кое се состои од целуларен пристап. Самата дефиниција кажува дека една географска целина се дели на што поголем број ќелии, при што различни келии можат да користат иста фреквенција. Денес, овој принцип с сė уште е актуелен и се применува. ETSI (European Telecommunications Standars Institute), почнува со развој на дигитални целуларни стандарди кој сė уште се задолжителни за цела Европа, а подоцна прифатени и од страна на целиот свет. Овој стандард е наречен GSM (Global System for Mobile communications). GSM системот е развиван во текот на 80-тите, а неговата примена започнува во 1990-тите години. За овој систем велиме дека припаѓа на 2G генерацијата на дигитални системи. Самиот развој на безжичните системи ја наметнува и потребата од поставување на стандарди. Логички е, за да можат да комуницираат, сите апарати од различни произведувачи треба да се компатибилни еден со друг. Во 90-тите години се започнува со проектирање на решенија кои би се засновале на остварување на фиксен безжичен пристап и безжична локална клучка - WLL (Wireless Local 19

21 Loop). Основната идеја се базирала на следното: Бакарните жици од централата до секоја куќа да се заменат со безжични врски. Предложени биле повеќе стотици решенија, но ниедно од нив никогаш не било реализирано. Во истиот период 2G целуларните системи се подобрени со цел да можат да поддржат и пренос на дигитални податоци. Тоа е следната генерација во развојот на мобилните системи наречена GPRS (General Packet Radio Service), често нарекуван систем 2.5G. Мобилните системи од третата генерација (3G) се базираат на широко појасен стандард CDMA (Code Division Multiple Access) развиван од страна на ITU. Овој систем е предвиден за различни брзини на пренос bit/sec во опсег од 144 Kbps до 2 Mbps. Овој ситем не е компатибилен со 2G системите, па затоа секоја компанија (Service Provider) која би сакала да ги дава овие услуги на корисниците, мора да инвестира во нова опрема. Кон крајот на 90-тите години, значаен напредок е направен во развојот на безжичните локални компјутерски мрежи (Wireless LANs - WLANs). Сите уреди кои работаат по стандардите IEEE , обезбедуваат услови за поврзување на компјутерите во мрежи на сличен начин како и мобилните телефони. Скоро сите WLAN-ови работаат на фрекфенционален опсег од 900 Mhz, 204 Ghz и 5,8 Ghz. Денес безжичната технологија обезбедува голема брзина при пренос на податоци помеѓу точки со фиксен пристап и поголем број на терминали. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) е една од тие технологии која и припаѓа на 4G генерацијата, а се базира на стандардот IEEE WiMAX користи радио фреквенција помеѓу 10 Ghz и 66 Ghz, а брзината на пренос на податоци е до 40 Mbps за фиксни корисници, а до 15 Mbps за мобилни, односно за опсег на покривање и до 15 километри. Последната деценија напорите на истражувачите се во правец на развој на безжични сензорски мрежи кои нудат бројни можности, мониторирање и контролирање на фабрики, шуми, автопатишта, одредени стратешки сообраќајници, комплетен мониторинг на куќи, згради на повеќе оддалечени места и многу други места. Сензорска мрежа прставува компјутерска мрежа од повеќе компјутерски нодови, чија основна задача е пратење на една или повеќе физички големини на некој простор и проследување на резултати од мерењето до едно или повеќе збирни места (компјутерски центар-и). Ако во комуникацијата помеѓу овие нодови се користи некој облик од безжичната комуникација тогаш можеме да зборуваме за Безжични Сензорски Мрежи. Прва успешна безжична мрежа за пренос на податоци била ALOHA. Со користење на 24 kbaud 1 двосмерна врска (реализирана со користење на две фреквенции во опсег од 400 MHz, во 1970 година биле поврзани компјутери во University of Hawaii со компјутери на 4 блиски 1 Baud единица за мерење на проток на податоци, која го означува бројот на пренесени симболи во секунда. Во зависност од модулацијаѕта која се користи, еден симбол можи да одговара на еден бит, а можи да биди преставен од повеќе бита. 20

22 острови. Една порака се состоела од 640 бита, пратена со 32 контролни бита и 32 бита паритети (вкупно 704 бита). После овој успех, државната агенција на USA, DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) 1972 година го стартува својот развоен проект тн пакет безжична мрежа PRNET (Pаcket Radio NETwork). Оваа мрежа работела на 1,8 GHz и овозможувала пренос на податоци со брзина од kbit/s. Во 1980 година се појавила првата аматерска пакет-радио мрежа, која работела на 146 MHz со брзина од 1200 бауди. Оваа мрежа е клучна за развој на MACA протоколот (Multiple Access with Collision Avoidance) за избегнување на коализија на пакетите кога на иста фреквенција има повеќе јазли. Овој протокол понатаму претставува основа за дефинирање на стандардите. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) во 1990 година формира работна група која почнува на креирање на стандардите, односно денес најпознатиот начин на безжично комуницирање на компјутерите (WLAN, Wireless Local Area Network). Стандардот n овозможува работа на 2.4 GHz и брзина до 300 Mbit/s, во домет од околу 70 метри во затворен простор, односно до 250 метри на отворен простор. Во 1997 година е формирана Bluetooth Special Interest Group, која почнува да се занимава со безжични мрежи од краток домет. Нивното истражување резултира со 1.0 Bluetoоth стандард во 1999 година. Последната верзија на овој стандард сė до пишувањето на овој текст е 4.2 (појавен на пазарот Декември 2014 година), воведува некои иновации кои ќе бидат клучни карактеристики за IoT. Слика 2. Безжични сензорски мрежи 21

23 2.2. Дизајн на безжична сензорска мрежа Типична безжична сензорска мрежа, е мрежа којашто се состои од голем број на мали, сензорски нодови кои се ограничени со енергијата на батеријата, процесорската моќност и способноста за меѓусебна комуникација. Инфраструктурната поддршка на овие мрежи се остварува со помош на оперативни системи (OS). Дизајнирањето на една безжична сензорска мрежа во индустриска околина подразбира темелно истражување и разбирање на: Проектирање на хардверски дел составен од сензори со ниска потрошувачка на енергија и ниска цена. Користење на сензорски нодови со радио технологии кои се наменети за тешки услови во непријателска околина Анализа на системски архитектури и протоколи кои ќе се користат, и оперативни системи Развивање на софтвер-апликација API (Application Programming Interface) според потребата на корисниците и операторите 2.3. Стандарди кај БСМ Стандардите се наменети за остварување на комуникација помеѓу различни уреди на мали растојанија (до 100 метри), без постоење на инфраструктура за организација и управување на мрежата. Целта на развојот на овие стандарди е умрежување на поголем број сензори во индустријата, во научни и медицински примени. IEEE и IEEE a стандардите го дефинираат физичкиот и MAC слојот, за потребите при реализација на безжичните персонални мрежи со мали брзини на пренос, LR- WPAN (Low Rate - Wireless Personal Area Network). Интеракцијата на MAC слојот со повисоките слоеви се одвива со користење на стандардите IEEE потслоеви. Врз основа на IEEE , се развиени повеќе индустриски стандарди, од кои комерцијално најповеќе се применува ZigBee стандардот. IEEE стандардот ги дефинира 4-те модели на физичкиот слој PHY (Physical layer), Овој стандард предвидува и користење на 3 фреквентни опсега: 1 радио канал во опсег од ,8 MHz (Европа), 10 радио канали во опсег од MHz (Северна Америка) и 16 радио канали во опсег 2,4-2,4835 GHz (Глобално). Во стандардот IEEE a дефинирани се и два додатни слоја за моделот на физичкиот слој (PHY). Во првиот модел се користи DS-UWB (Direct Sequence Ultra-Wide Band) техника на пренос во опсег под 1GHz, од 3 до 5 GHz и од 6 до 10 GHz. Во вториот модел се користи C- SS (Chirp Spread Spectrum) техника, стандард кој се користи во Индустријата, Науката и Медицината ISM (Industrial, Scientific & Medical). 22

24 MAC (Media Access Control) слојот овозможува пренос на рамки (фрејмови) преку физичкиот канал, управување со интефејсот и пристап кон физичкиот слој (PHY). Функциите на MAC слојот вклучуваат резервација на гарантирани временски слотови, избегнување на коализија (судири) со примена на CSMA-CA (Carrier Sense Medium Access Collision Avoidance) протоколот и интегрирана поддршка за сигурна комуникација. Дефинирани се два типа на уреди, RFD (Reduced-Function Device) и FDF (Full-Device Function), со чија примена може да се организира Peer-to-Peer мрежа или мрежа со топлогија на звезда. Фамилијата на IEEE P.1451 стандардите, дефинираат збир на отворени заеднички комуникациски интерфејси кои се независни од типот на мрежата, за потребата од поврзување на трансдусерите (сензорите или актуаторите) со системите, микропроцесорите и контролните мрежи. Овие стандарди ги дефинираат и TEDS (Transducer Electronic Data Sheets), мемориски уреди поврзани со трансдусерот во рамките на коишто се чуваат калибрационите и индентификационите податоци и податоците за корекции на резултатите на мерењата, информациите за производителот на трансдусерот и опасегот на мерењето. IEEE P стандардот го дефинира интерфејсот на трансдјусерот и NCAP (Network Capable Appplication Processor), како и TEDS за безжичните паметни трансдјусери. ZigBee е протокол кој е дизајниран да управува директно над PHY (Physical Layer) физичкиот и MAC (Media Access Control) слој, обезбедувајќи (Network Layer) мрежниот и апликативниот (Application Layer) слој да добијат комплетен протокол. Ова е ист случај со сите протокол базирани системи. ZigBee е дизајниран да биде ниско енергетски, со можност за ниска стапка (low-data rate) на пренос на податоци. Втората генерација на "ZigBeePRO", е повеќе робустен протокол и е дизајниран за апликации за индустриска контрола. Нуди повеќе перформанси, а затоа има посложена структура. ZigBee дефинира три класи на уреди: ZigBee кординатори (Coordinators ZC), ZigBee рутери (Routers ZR), и ZigBee крајни уреди (End Devices ZED). Секоја мрежа има по еден кординатор ZC, кој е одговорен за формирање на мрежата, но исто така може да помогне при рутирање на пораката. Рутерот ZR е одговорен за рутирање на пораките и е активен покажувач за активирање на апликацијата. Крајните уреди ZED се само за стартување на апликациите и не учествуваат во рутирањето на пораките. Секоја крајна единица ZED мора да репортира до секој рутер ZR или кординатор ZC, а овие уреди остануваат слободни да комуницираат со друг рутер преку радио врска. На крајните ZЕD уреди им е дозволено периодично да преминат на процес на заспивање со минимална енергетска потрошувачка, додека рутерот ZR генерално мора да е постојано буден. WirelessHART, е утврден во HART Field Communications protocol, За мерење на воспоставени уреди и контрола на протокол во индустриската автоматизација. Ревизијата 7 од протоколот го проширува порано жичано поврзаните HART системи со безжичен механизам за трансфер на податоци врз основа на физичкиот слој WirelessHART е дизајниран да овозможи безжичен пренос на сензорски податоци во многу груби индустриски средини, каде комуникацијата преку безжична мрежа мора да има голема сигурност во споредба со жичана врска. Иста така се подразбира дека, доколку се постави безжичната мрежа во тешко достапни услови, тоа би значело и тешко одржување на мрежата, така што WirelessHART уредите мора да бидат способни да работат долго време со еден сет 23

25 батерии. Работи во опсегот на 2.4 GHz. WirelessHART MAC, е базиран на TSMP (Time- Synchronized Mesh Protocol) протоколот кој е огинално развиван од Dust Networks. Inc. Развивањето на ваков дизајн на протокол, беше мотивиран од исклучително непријателската околина на радио-фреввенција (RF), со која се судира во индустриската околина. Во ваква околина се случува мешање на сигналот со други безжични системи, како што се Wi-Fi мрежи или безжични телефони, RF шумови од машините, физички бариери и радио патеки помеѓу уредите, ехо ефекти помеѓу изворите и приемниците и загуби поради исцрпеност на батериите. Во некои случаи овие недостатоци се компензираат со внимателно калибрирање на мрежата водејќи сметка за условите и времето на нивно распоредување. Сите нодови во WirelessHART мрежата се мулти функционални, односно способни за рутирање. Тоа значи дека има максимална агилност за справување во тешки ситуации. Во случај рутерот да биде поставен на low-power "sleep" мод, се гарантира дека, доколку се појави сигнал на само еден нод, сите нодови синхорнизирано ќе се разбудат во исто време. ISA100.11a WirelessHART е првиот стандард кој се појавува на пазарот за индустриска технологија. Првиот стандар ISA100 wireless group е стандардот ISA100.11a, кој обезбедува позадинска безжична врска за користење на сите видови протоколи кај апликативниот слој. Стандардот ISA100.11a е објавен во 2010 година. Овој стандард има многу задничко со WirelessHART стандардот, вклучувајќи ја и TDMA (Time Division Multiple Access) MAC шемата базирана на Dust Networks Inc. TSMP (Time Sinhronized Mesh Protocol) алгоритмот, заeдно со сите карактеристики и одлики кои можат да се најдат кај двете. ISA (Industry Standard Architecture) протоколот беше дизајниран да обезбеди поголем сет на опции, специјално дизајнирани за индустриски безжични сензорски мрежи Архитектура на БСМ Слика 3. Топологии на комуникација Безжичните сензорски мрежи во најголем број на случаи се групираат во два типа на нодови. Првиот тип се нодови со сензори сензорски нодови (mote, sensor node), кои мерат некои физички големини, односно комуницираат меѓусобно за да си ги предадат мерењата едни на други и ги проследат до одреден систем. Овие нодови често се ограничени по однос на хардверските ресурси кои им се на располагање: 24

26 Брзината (фреквенцијата со која работаат) на процесорот, кој во повеќето случаи е неколку мегахерци или под еден мегахерц. Ова некако е карактеристика која е наследена од микропроцесорот, затоа што со помала брзина и потрошувачката на електрична енергија е помала. Количеството на меморија се мери во килобајти за RAM (Random Access Memory) меморијата, а со десетици или стотици килобајти за постојаната меморија Вкупниот број на наредби кои се употребуваат и обработуваат е доста сиромашен, односно мал, што знaчи дека може да биде ограничен само на input-output команди, колку да се проследи некој податок понатаму, а ако има потреба истиот да се обработи, пример да се помножи, тогаш тоа се обавува со помош на собирање. Напојувањето е и најголемо ограничување. Секоја батерија содржи ограничена количина на електрична енергија која е на располагање. Кога батеријата ќе се потроши, тој нод повеќе не е во употреба, значи треба да се има во предвид дека треба да се замени со нов, бидејќи само менување на батеријата би било покомплицирано и финасиски неоправдано. Друг тип на нодови се собирачки нодови (sink, gateway node). Овие нодови се со постојан извор на напојување и обично имаат хардвер кој по перформанси е подобар од хардверот на претходниот тип Контролер Слика 4. Wireless Node Оснoвен дел на сензорскиот нод претставува контролерот. Неговата основна функција се состои во: прибирање на податоци од сензорите, нивна обработка и на основа на тие податоци управување со евентуалните актуатори и понатамошна комуникација со други сензорски нодови. 25

27 Контролерот е составен од процесор кој стандардно се користи и во компјутерите, само со таа разлика што тој е опремен и со додатна електроника, потребна за пристап кон сензорите, односно добивање информации од сензорите, пристап и комуникација со актуаторите и комуникацискиот модул. Како што е објаснето погоре, поради заштеда на енергијата која се користи за напојување, овие процесори за собирање на податоците од сензорите се со мала снага. Пример, ако разгледаме еден нод со батериско напојување, целта на тој нод е да се одржи што подолго во оперативна состојба, а тоа значи да троши што помалку енергија. Кога е потребно да се постави мрежа од сензорски нодови, за набљудување на поголем простор или повеќе физички големини кои понатаму треба да се обработуваат, тогаш за оваа намена многу повеќе одговара употребата на микроконтролери. Микроконтролер претставува хардверски склоп кој се состои (не секогаш) од релативно едноставен процесор за генерална употреба, многу често и 8-битна RAM меморија, одреден број на мегабајти меморија на којашто може да се запишуваат одередени вредности и одредени периферни додатоци коишто исто така можат да се програмираат. Под периферија се подразбира повеќе аналогни и/или дигитални влезови и излези. Овие влезови/излези секако дека треба да се опремени со адекватни A/D (Analog-Digital) аналогно-дигитални конвертори или D/A (Digital-Analog) дигитално-аналогни конвертори, во зависност од тоа каков тип на сигнал добиваме или испраќаме понатаму за обработка. Конверторите пак се опремени со интегрални кола за контрола на напонот на релињата, тајмери, прекинувачи и контролер за сериска комуникација. Микроконтролерите веќе подолго време имаат широка примена како вградени (embeded system) системи насекаде околу нас. Тие се наоѓаат кај повеќе куќни апарати кои нė опкружуваат, а најчесто се употребуваат во возилата, индустријата, и насекаде каде што треба некој процес барем минимално да се автоматизира. Една од основните, секако и најдобра особина на микроконтролерите е таа што во одреден период, по потреба на корисникот може скоро потполно да се исклучи и при тоа да троши минимална енергија, со тоа што ќе остави само еден мал дел активен. Тоа значи дека тој е постојано буден, а привидно исклучен сė додека не се активира одреден тајмер или импулс кој ќе го разбуди и стави во функцијата за која е наменет. Микрокотролерите кои се користат во индустријата секако дека користат постојано напојување, поради тоа што имаат потреба од поголема обработка на податоци, имаат во себе и посебен процесор за обработка на сигнали DSP (Digital Signal Procesor). Овие процесори се наменети за обработка на поголем број податоци, независно дали се тоа дигитални или аналогни сигнали Меморија Меморијата на сензорскиот нод, обично се состои од повеќе целини кои имаат јасно поделена примена. Првично, потребна е одредена RAM меморија, во која се чуваат податоци кои ги користи програмот на микорконтролерот додека работи. Тука се сместуваат сите 26

28 статички варијабли, податоците кои во моментот пристигаат од сензорите и податоци кои му се потребни на микроконтролерот за комуникација со останати нодови или со центарот за собирање на податоци. Посебна стална меморија меморија која ја памти својата содржина и кога микроконтролерот не е под напојување, е резервирана меморија за програмот кој микрокотролерот го извршува. Оваа меморија може да биде: PROM (Programmable Read-Only Memory) меморија која се запишува само еднаш; EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) меморија која може повеќепати да се брише и да се запишува одново; FLASH - понапредна варијанта на претходната меморија, разликата е во запишувањето на податоците. Во повеќе случаи, сензорските нодови собираат повеќе податоци (пример од неколку часа до неколку денови или месеци) пред да ги испратат за понатамошна обработка. Ова е случај кога брзината на собирање податоци е голема или временскиот интервал за собирање на податоците треба да е поголем. Во овој случај се употребуваат додатни FLASH мемории, кај кои запишувањето и читањето на податоци е многу брзо, а и самото запишување е компримирано, што овозможува запишување на голем број податоци Сензори Сензорите се инструменти за мерење на некоја физичка големина во зададена околина. Според тоа како тие влијаат при мерењето на околината во која се поставени, глобално можат да се поделат на три основни категории: 1. Пасивни сензори (Passive omnidirectional sensors) сензори кои мерењата ги вршат независно од кој правец доаѓаат сигналите. Се нарекуваат пасивни затоа што никако не влијаат на околината при мерењата. Физичката големина која се мери не зависи од правецот во кој сензорот е насочен. Пример за вакви сензори се: Сензори за мерење на температура, количина на светлина, влажност, механички вибрации, притисоци, на материјал, воздушен притисок, мерење на концетрација на разни гасови, детектори на чад, микрофони. 2. Пасивни насочени сензори (Passive narrow-beam sensors). Овие сензори исто така не влијаат на околината, меѓутоа нивното мерење зависи од тоа во кој правец се поставени. Пример за тоа се сензори за мерење брзина на возила или проток на возила на одредена магистрала. 3. Активни сензори (Active Sensors) сензори кои вршат одредени промени на околината и потоа примаат податоци за влијанието на тие промени. Типичен пример за ваков сензор е сонарот (мерен инструмент кај пловни објекти). Сензорот испраќа сигнал, а потоа го отчитува враќањето на тој сигнал. Во зависност од брзината, 27

29 односно времетраењето на враќање на сигналот, по мерна скала може да се одреди оддалеченоста на објектот. Сензорите можат резултатот од своите мерења да го испратат како аналоген или дигитален сигнал. Ако е дигитален тогаш резултатот е веднаш припремен за обработка од контролерот, а доколку е аналоген сигналот мора да се обработи преку A/D конвертор. Кога се во прашање сензорските мрежи, најподобни за употреба се пасивните сензори, но притоа мора да се напомене дека мора да постои можност да им се исклучува напојувањето во временските интервали кога не се врши мерење. Некои сензори, можат само за мерењето да ја користат енергијата на околината, пример сензорот за светлина, меѓутоа и тука при недоволна светлина потребен е додатен напон до нивото на напон кое е потребно за мерење на големината, а кој одговара на A/D конверторот. Сензорите можат да се поделат и според други критериуми. Една од тие поделби е и според начинот на кој мерената вредност се претвора во електрична вредност: 1. Резистивни сензори сензори кај кои се менува електричната отпорност во зависност од вредноста која се мери 2. Капациитвни сензори сензори кај кои се менува капацитативноста во зависност од вредноста која се мери 3. Индуктивни сензори сензори кај кои се менува индуктивноста во зависност од вредноста кога се мери Следна поделба е според физичката вредност која се мери. Сопред оваа поделба најчесто се во употреба следните типови на сензори: 1. Механички мерење на механички особини, притисок, висина, забрзување, вибрација 2. Термички мерење на температура 3. Електрични мерење на јачина на струја, напон 4. Магнетни мерење на магнетно поле 5. Хемиски мерење на некоја хемиска супстанца 6. Биосензори мерење на присуство на висруси, бактерии или некои органски единици (протеини, ензими) Мерењето на одредени физички големини може да се врши на повеќе начини, пример мерењето на притисок може да се направи и со капацитивни сензори, пиезоелектрични сензори. 28

30 Актуатoри Актуаторите претставуваат склопови кои му овозможуваат на сензорскиот нод да на некој начин влијае на околината во која се врши мерењето. Пример со аналоген сигнал преку A/D конвертор може да се контролира некој прекинувач т.е да се исклучува-уклучува, односно да се менува движењето на моторот на кој се наоѓа сензорот, а со тоа да се менува правецот на камерата за мониторирање на објектот. Постоењето на актуаторите, се разбира дека енергетски го оптеретува нодот со батериско напојување. Додатно, за да провериме дека актуаторот правилно ја извршил или не ја извршил својата работа која му е зададена, треба да се постави друг сензор, во погорниот пример сензор за движење, со кој тоа би се проверило, како би можело да се реагира на соодветен начин доколку дојде до проблеми или затајување на функцијата на актуаторот Комуникациски Модул Комуникацискиот модул има важна улога при размената на пораките со кои комуницираат два или повеќе нодови. Врската може да биде еден-на-еден или еден-наповеќе. Врските помеѓу нодовите можат да се остварат на повеќе начини: со дирекно поврзување со помош на кабел, или по безжичен пат, со користење на радиобранови, светлосен зрак или ултразвук. Прозводството на нодовите најповеќе зависи од медиумот кој се користи за пренос на сигналот, односно тоа ја дефинира и технологијата на производството. Наједноставна технологија е кога се работи за кабелско поврзување, а станува покомплицирана кога се работи за комуникација базирана на радиобранови. Употребата на радиобранови во пракса е докажано како најдобра опција за комуникација во безжичните сензорски мрежи. Основната карактеристика која радиобрановите ги прави најпогодни за комуникација е релатвно големото растојание за вложената енергија, можност за голема брзина при преносот и како најважен аспект е тоа што нодовите не мора да се видливи еден со друг за да можат да комуницираат. За да може еден нод да испрати сигнал до друг нод потребен му е предавател (transmiter), а за да прими сигнал од друг нод потребен му е приемник (receiver). Едноставно кажано, за два нода да комуницираат меѓусебно и двата треба да имаат предавател и приемник. Основна задача на примо-предавателот е да изврши коверзија на битовите кои доаѓаат од микрокотролерот во радиобранови и обратно. Кога два нода комуницираат, начинот на комуникација е обично таков што еден нод испраќа пораки, а другиот ги прима. Овој тип на комуникација, кога едната страна само испраќа, а другата само прима пораки се нарекува half-duplex. Full-duplex комуникација е кога и двата нода испраќаат и примат пораки истовремено. Овој тип на комуникација практично многу малку се користи, особено ако се користи една иста фреквенција. Во овој случај секој нод ќе си ги слуша само своите пораки. Ваква комуникација може да се 29

31 воспостави со поставување на две фреквенции, ако се во прашање само два нода, меѓутоа ако со секој нов нод додаваме и две нови фреквенции, тогаш е навистина комплицирано да се прати кој со кого комуницира. За да можат податоците да се испратат преку радиобранови, се користат постапки на кодирање и модулации. Кодирање значи претставување на една низа од битови со помош на аналоген сигнал. Досега се развиени многу видови на кодирање, почнувајќи од наједноставни како што е NRZ кодирање (Non-Return-to-Zero), па до многу комплицирани кодирања, на пример, тип на кодирања кои можат сами да се поправат при појава на грешки во комуникцијата. Под поимот модулација се подразбира постоење на два сигнали од кои еден е основен, кој се користи за пренос на податоци, и друг сигнал кој се користи за измени на основниот. Модулација практично претставува постапка за промена на еден или повеќе параметри на основниот, носечки радиобран, како на пример промена на фреквенцијата, промена на фазата или промена на амплитудата Напојување Во најголем број на случаи нодовите во безжичните сензорски мрежи имаат сопствено напојување-батерија. Ова значи дека постојано има потреба од зачувување на енергијата која ја содржи една батерија. Доколку во близина на нодот постои константен извор на енергија и е поврзана со нодот, во тој случај нема некој поголем проблем до колку се испразни батеријата, односно нема повеќе енегија од статичниот извор. Замената може да се изврши со нова батерија додека нодот користи друго напојување. Кај сензорските мрежи кои исклучиво користат напојување од батерија, мора оптимално да се користи расположливата енергија која е содржана во батеријата. Кога оваа енергија ќе се потроши, тоа значи и крај на животниот век на нодот (ако не е предвидена промена на батерија). Значи, главна карактеристика при функционирањет на овие мрежи е да се одржи животниот век што е можно повеќе. Батериите, генерално може да се поделат на две групи, батерии кои се полнат и батерии за една употреба. И двата типа имаат своја примена во сензорските мрежи. Батериите за една употреба обично се алкални, а другите се литиумски, никел-кадмиумски или никел-металхидридни. Сите овие видови се во основа електро-хемиски акумулатори на енергија. Основни особини на секоја батерија, кои се битни за работата на сензорските нодови се: капацитетот при мирување, капацитетот при оптеретување, самопразнење, ефикасност на полнење (кај батериите кои се полнат) и релаксација. Капацитетот при мирување се однесува на количината на енергија која е содржана во единица волумен и обично се изразува бо J/cm 3.. Батерии изработени од ЦИНК имаат најголема количина на енергија по единица волумен од сите останати типови. 30

32 Капацитет при оптеретување се однесува на можноста батеријата да испорача доволно енергија во различни ситуации. На пример, испраќањето на сигнал со користење на радио модул е краткотрајно, но е пропратено со големо количество на енергија во случај кога радио-модулот не е вклучен. Значи, при повлекување на голема енергија во одреден момент, не би требало останатите компоненти да останат без напојување. Накратко кажано, колку е поголем капацитетот на батеријата во мирување, толку е постабилна енергијата која таа батерија може да ја испорача во краток временски интервал. Самопразнењето на батеријата е особина проследена со постепено намалување на енергијата со текот на времето, иако на неа не е ништо приклучено. За сензорските мрежи оваа особина се разбира е многу важна, односно кога нодовите се во т.н. мод на мирување пожелно е самопразнењето да биде што помало.тука мора да се напомене дека, батериите направени од Цинк, кои имаат најголем капацитет при мирување имаат и висок процент на самопразнење, во споредба со другите батерии изработени од други материјали. Ефикасност на полнење на батеријата е особина со која таа можи да се полни и ако изборот на полнење е релативно слаб. Релаксација претставува особина на самополнење на батеријата која е скоро празна, а се случува поради одредени дифузиони хемиски процеси кои се случуваат внатре во батеријата. Што се однесува до алтернативните извори на енергија, кои во поново време се употребуваат сė повеќе, сė уште не би можеле комплетно да ја заменат батеријата. Еден алтернативен извор на енергија се двослојните кондензатори (electric double-layer capacitor) кои имаат поголем капацитет од стандардните електролитски кондензатори и можат подолго време да задржат во себе одредена енергија. Кај сензорските мрежи кои користат батерии на полнење, како основен дел на секој сензорски нод задолжително се наоѓа еден уред кој овозможува дополнување на енергијата на батеријата. Техниките кои се користат при полнење на батериите можат да се класифицираат во следните категории: Претворање на соларна енергија во електрична, со помош на соларни панели. Оваа техника се користи доколку ни е достапен постојан извор на светлина и можност соларниот панел да биде свртен кон изворот на светлината; Користење на разликите на температурите, односно термоелектричен ефект. Сибеков ефект (Seebeck effect, по Thomas Johann Seebeck), може дирекно да се искористи за дирекна конверзија на температурната разлика во електрична. Меѓутоа, излезната снага и коефициентот на искористување им се многу мали; Пиезоелектрични ефект преку пренос на различни видови вибрации на поиезоелементот може да се генерира електрична енергија; Електростатички ефект вибрации можат да се пренесат на кондензатор чиј капацитет зависи од вибрациите. Тоа се променливи кондензатори, кои можат да се искористат за претворање на механичка во електрична енергија; 31

33 Проток на течности или гасови енергијата може лесно да се добие и со користење на мини турбина која може да го користи, на пример речниот тек или ветер. Меѓутоа, тука е проблем минијатуризацијата на овие елементи кои би биле погодни за вградување во сензорските нодови Оперативни системи Развојот на оперативните системи за безжичните сензорски мрежи е во основа ист како развојот на оперативните системи воопшто. Првите оперативни сиcтеми биле со ограничен број на библиотеки со потпрограми кои единствено овозможувале програмите да сe извршуваат директно на нодовите. Подоцна се воведуваат и процеси со одреден концепт за работа, виртуелни машини, заштитена меморија итн. Улогата на секој оперативен систем е да го поврзе хардверот преку софтверот во еден систем. Оваа операција треба да се извршува во позадина и крајниот корисник да не води сметка за проблемите кои би се појавиле при комуникација на резличните хардверски компоненти поради нивната сложеност. За да се постигне оваа функционалност, оперативните системи се модифицираат во подгрупи на програми според управувањето со хардверот, а тоа се: управувањето со процесорот и процесите управување со меморијата (внатрешна и надворешна) управување со влезно излезните единици управување и заштита на податоците вмрежување и управување со корисничкиот интерфејс Основа на оперативните системи за безжичните сензорски мрежи се оперативните системи за embedded уредите. Овие уреди се практично микроконтролери вградени во други уреди, а од сензорските нодови се разликуваат по тоа што имаат постојано напојување и што содржат многу појаки микроконтролери, односно микропроцесори Имплементација Имплементирањето на (WSN) безжичните сензорски мрежи е проследено со многу фактори и не е гарантирано и сигурно како кабелското поврзување. Растојанието помеѓу нодовите, електромагнетните пречки и останати надворешни фактори се предизвик за достигнување на квалитетна и сигурна безжична мрежа. Пред да се инсталира безжична мрежа, потребно е да се осигураме дека таа ќе биде успешна и функционална. Секој физички процес е стимулација и предизвик да може да се мониторира. Одредени сензори можат да бидат почувствителни на околината, отколку на физичките големини кои се мерат. Вообичаено, сите сензори се изложени на температура, на пример сензорот кој мери загадување на воздухот. Во одредена точка изворот кој се мери може да биде изложен и на надворешни атмосферски влијанија, атморсферски притисоци, ветер, и останати атмосферски 32

34 нестабилности. Сите овие девијации, односно отстапувања можат во системот да се класифицираат како грешки. На пример, бучавата во фабричка хала може да се редуцира со дигитално процесирање на сигналот, во процес на филтрирање, кое е на сметка на динамичкото однесување на сензорот. Затоа во некои случаи подобро е истовремено да се следат повеќе процеси во една точка отколку мониторирање само на еден процес. Реалното комуницирање, одложување при испраќање на пораките, кај секој собирен уред, зависи од локацијата на уредот, зашто нивно меѓусебно мешање презентира грешки на сметка на примачот. Затоа, пред инсталирање на безжична сензорска мрежа во индустриски објекти мора да се направи алгоритам за областите кои ќе бидат покриени, поставувањето на уредите да биде заштитено од непотребна бука (noise), пречки кај каналите за комуникациски врски, интерференци кои се појавуваат при работа на мотори, машини и друго. Интерфернтните сигнали кои се појавуваат во еден производствен процес би можеле да ги класифицираме во теснопојасни и широкопојасни. Широкопојасните интерферентни пречки се сигнали со постојан спектар на енергија во текот на сите фреквенции и имаат доста висока енергија. Тие се обично ненамерни извори на бучава, за разлика од теснопојасните интерференции, кои се намерни извори на бучава, меѓутоа со многу помала енергија. За да се редуцираат овие пречки, се употребува склоп од радио модулаторни техники, кои може да се справи со ваков проблем. Постојат две главни техники на проширен модулаторен спектар и тоа DSSS (Direct sequence spread spectrum) дирекна секвенца од проширен спектар, и FHSS (Frequency hopping spread spectrum) импулсна фреквенција. Поради различните физички големини кои се мерат, DSSS и FHSS реагираат различно во индустриски поставувања. И двете имаат свои предности во зависност од апликациите и средините за каде се наменети M2M/IOT (Machine to Machine) Системска Архитектура M2M/IoT системска архитектура е систем на комуникација помеѓу машина-машина преку безжична врска со поддршка на Интернет на Нештата. Обично се состои од: безжична сензорска мрежа (WSN) со физички конектирани елементи (Things), вклучувајки сензори, нодови и актуатори M2M сервер кој преставува собирна единица за податоците од сензорите, нодовите краен корисник (end-user) кој преку апликација пристапува и до сензорите и до машините преку интернет Во случајот, зборот сензор се користи како репрезент на сите сензори кои можат да се употребат. Апликациите побудуваат актуатори, врз база на протокот на податоци од М2М серверите преку безжична сензорска мрежа. 33

35 Слика 5. M2M/IoT System Architecture Визијата на Internet of Things (IoT), е виртуелно да се пренесат милијарди физички објекти на интернет и да ги стават на располагање нивните податоци преку интернет апликации. Разликата помеѓу обичните интернет апликации и IoT апликациите е тоа што, IoT апликациите се поврзани со одредени сензорски мрежи и податоците се добиваат динамички во моментот на стартување на апликациите. Притоа, физичките објекти можат да бидат оддалечени и со илјадници километри од крајните корисници Специфичности на индустриски WSN Главните технички предизвици со кои се среќаваме при развивање на индустриска безжична сензорска мрежа WSN - IWSN (Industrial Wireless Sensor Networks) се: Resource constraints - Ограничувања во ресурсите: IWSN нодовите често имаат ограничувања во големината, тежината и трошоците за одржување. Исто така често се случува да имаат и ограничени ресурси на енергија. Dynamic topologies and harsh radio wave propagation condition - Динамични топологии и тешки услови предизвикани од ширење на радиобранови. Состојбата на врскителинковите помеѓу нодовите често пати се менува во текот на комуникацијата. Тоа се должи на пречките кои ги создаваат индустриските процеси и активности, како на пример преместување на стоки, движење на работниците и слично. Harsh environment conditions - Тешки услови во работната околина. Индустриските сензорски мрежи мора да се прилагодат во широк спектар на оперативни температури и да се одржат стабилни при силни вибрации, неповолни атморсферски услови, кондензации и воздушни загадувачи. 34

36 Quality-of-service (QoS) requirements обезбедување на квалитетен сервис. Најчесто се наметнуваат ограничувања за времето на испорака на податоците, нивна обработка и стабилна комуникација низ врските. Security - безбедноста е од суштинско значење. Индустриските безжични сензорски мрежи мора да бидат способни да се справат со надворешни негативни влијанија, хакерски напади и упади во мрежата. Scalability приспособливоста е одлика која индустриските безжични сензорски мрежи мора да ја имаат. Една ваква мрежа може да е составена од стотици јазли, кои можат да се простираат на поголем простор. Тоа значи дека мрежната топологија при периодични промени да има поддршка за мобилни јазли што резултира со брзо преконфигурирање на мрежата без да се појави застој во комуникацијата. Integration with other systems and networks - интеграција со други системи или мрежи. Интеграцијата е најчеста појава кај безжичните мрежи во индустриски системи кои веќе имаат некаква постоечка структура за комуникација помеѓу индустриската машинерија. Во многу случаи веќе постоечката врска треба да се надогради само со интернет комуникација, а сето тоа и понатаму да остане компатибилно со постоечкиот процес на комуникација. 35

37 3. Индустриска електроника и автоматизација Индустриска електроника претставува област која се занимава со анализа и управување на електричната енергија со користење електронски уреди за индустриски потреби. Проучува промени на параметрите и управување со протекот на електричнaта енергија. Претворањето на параметрите на електричната енергија се одвива во нелинеарни кола со помош на електронски прекинувачи. Два главни правци за индустриската електроника се: електроника и параметри на електричната енергија. Електрониката претставува научна дисциплина која го проучува движењето на електроните во вода, гас, течности или пак полупроводнички елементи. Електричната енергија има параметри под коишто ги подразбираме: опсег на напон, јачина на струја, фреквенцијата и бројот на фазни периоди. Индустриската електроника е област која ги проучува овие промени на еден или повеќе параметри на електричната енергија со анализирање на загубите на енергија во електронските вентили. Индустриската електроника наоѓа примена во повеќе области и тоа: 1. Електроенергетика при еднонасочен пренос на наизменична енергија. 2. Електрична влеча. 3. Во постројките за галванизација. 4. Во автоматизација. 5. Кај електричните потрошувачи наизменични и еднонасочни електромоторни погони, електротермија, 6. Напојување со електрична енергија непрекинато напојување со наизменичен или еднонасочен напон, вклучување и исклучување на потрошувачи. 7. Станбен и канцелариски простор: климатизација; осветлување; компјутерска опрема и останати канцелариски уреди; лифтови. Врз основа на параметрите на електричната енергија, може да се изврши промена на видот на енергијата. За таа цел се користат уреди познати како енергетски претворачи. Тоа се уреди што поврзуваат два различни електрични системи што се разликуваат по некој од параметрите на електричната енергија. Контакт меѓу два електрични система се прави со помош на прекинувачките елементи или попознати како електронски вентили. Електронските вентили како и енергетските претворачи можат да бидат управливи и неуправливи. Под идеален енергетски претворач се подразбира 36

38 уред којшто целата доведена енергија на својот влез, ја предава на својот излез кон другиот електричен систем. По правило, енергетските претворачи во себе содржат еден или повеќе електронски вентили, трансформатори, филтри и управувачки уреди, а доколку има потреба и други помошни уреди. Еден енергетски претворач содржи информациски дел кој се состои од аналогни и дигитални кола. Неговата цел е да ги собира потребните податоци од системот А и системот Б со помош на сензори и врз основа на тие податоци се добиваат саканите излезни големини од претворачот. Kaj директните претворачи, влезната еднонасочна или наизменична енергија се претвора директно во бараниот облик на енергија на излезот од претворачот. Додека пак кај индиректните претворачи, се врши двократно претворање на енергијата пред да се добие на излезот саканиот облик. Оние претворачи коишто вршат претворање на електричната енергија од наизменична AC во еднонасочна DC се нарекуваат исправувачи. Претворачите коишто вршат претворање на електричната енергија од AC во AC се нарекуваат AC претворачи (конвертори), додека пак претворачите коишто вршат претворање на енергијата од DC во AC, се нарекуваат инвентори. Доколку претворачот во определен временски период врши и работа на управувач, а потоа на инвентор, тогаш се нарекува насочувач. Цел на индустриската електроника е да ги проучува: компонентите на електронските кола (електрични вентили, полупроводнички вентили, магнетни компоненти-трансформатори, кондензатори и други компоненти); уреди (за исправување, изменување, AC и DC претворање); компоненти на уреди или уреди на индустриска електроника (кругови за управување, регулациски кругови, филтри, заштита и сигнализација итн.) 3.1 Енергетски електронски компоненти Постојат активни и пасивни компоненти коишто се користат во индустриската електроника: пасивни компоненти: отпорник, кондензатор, пригушница и трансформатор. активни компоненти: полупроводнички елементи како диода, транзистор и тристор Исправувачи Исправувачите се електронски претворачки склопови коишто ја претвораат наизменичната електрична енергија во еднонасочна, односно ги поврзуваат меѓу себе наизменичниот и еднонасочниот електричен систем (мрежа). Исправувачките уреди може да се поделат според начинот на поврзување со наизменичната мрежа, според карактерот на излезниот напон и според степенот на управливост. 37

39 Според начинот на врзување во наизменичната мрежа разликуваме: еднофазни исправувачи повеќефазни исправувачи Според начинот на користење на енергијата од наизменичната мрежа исправувачките уреди може да бидат: полубранови целобранови Според степенот на управливост разликуваме: неуправувани исправувачки уреди коишто се користат како вентили диоди; полу-управувани исправувачки уреди коишто се користат како вентили со диоди и тиристори; управливи исправувачки уреди кои се користат како вентили тиристори. Кај неуправуваните исправувачи може да се постигне промена на излезниот напон со промена на влезниот наизменичен напон или со промена на оптоварувањето. Кај управливите исправувачи, промената на излезниот напон се постигнува со промена на почетокот на водење на тиристорите. 3.2 PLC - (Programmable Logic Controller) - уреди Индустријата постојано има потреба од индустриска автоматика за решавање на проблеми коишто се различни по сложеност. Исто така, решенијата се различни во една индустриска гранка, поради различноста во опремата која се користи. Изработката на решенија во областа на индустриската автоматика бара стручни лица, со широк спектар на знаења и големо искуство, за да можат да одговорат на сите побарувања на автоматизацијата коишто индустријата може да ги постави пред нив. До пред неколку години, управувањето на индустријата било базирано на релејна техника, а денес заради нивната флексибилност и робусност воглавно се користат PLC уреди (Програмабилни Логички Контролери). Почетокот на користење на PLC уреди, се врзува за доцните 60-ти и раните 70-ти години од минатиот век, а настанаа врз база на конвенционалниот компјутер од тоа време. Нивната првобитна примена е во автомобилската индустрија, со цел да се скрати времето на застој во производството при промена на производниот процес. На пример, припремата на погонот за производство на нов модел на автомобил траела неколку месеци, подразбирала преповрзување на панелите и ормарите преполни со жици, 38

40 релеа, тајмери, склопки и други, воглавно електро-механички компоненти, со помош на кои во тоа време се реализирале управувачки единици. Со воведување на PLC-уредот, се овозможило репрограмирање преку тастатура, со минимално додатно преповрзување, а времето на застој се скратило на неколку денови. Првите PLC контролери беа едноставни уреди за on/off управување и се користеа како замена за застарената релејна техника. Меѓутоа, тие PLC контролери не можеа да обезбедат посложено управување, како што е управувањето на пример со температурата и притисокот. Во меѓувреме, производителите на PLC контролери развија и вградија во него бројни подобрувања и функционални надградби. Современите PLC контролерите можат да извршуваат многу сложени задачи, како што се управување со прецизно позиционирање и управување со сложени технолошки процеси. Исто така, брзината на работа на PLC контролерот е значајно подобрена, како и програмирањето кое е олеснето. Развиени се бројни модули со спрецијална намена за примена како што е радио комуникација, визија, па дури и препознавање на говорни команди. Се смета дека инжинер, со познавање на релејна логика може да ги совлада основните PLC функции и можности на PLC-то со еден курс во траење од неколку денови Програмирање на PLC уредите Специјалните робусни процесори т.н. Програмабилни Логички Контролери, најмногу се користат за синхноризација и редослед на работите кои треба да се изведат на машините, производните линии или постројките. Со помош на стандарните и напредните влезни и излезни единици на кои се спојуваат уредите, како што се сензорите и некои извршни елементи, PLC уредите се проектираат како автоматски системи (од мали и едноставни до најсложени системи). Во мометов на пазарот се користат PLC од различни произведувачи: Siemens, Omron, Unitronics. Постојат два вида на програмирање на PLC уредите: Процес на "off-line" програмирање и пуштање во работа: 1. Проектирање оптимална конфигурација на управувачкиот уред. 2. Изработка на PLC програма со симболички опис на влезните и излезните сигнали. 3. Изработка и управување на управувачки секвенци. 4. Симулирање и проверка на апликацијата Процес на "on-line" програмирање и пуштање во работа: 1. Системите за автоматско управување со PLC се програмираат и се пуштаат во работа и кај корисникот. 2. Под пуштање во работа се подразбира параметрирање и поврзување на опремата, подесување на комуникациски канали, подесување на сензори и мерни уреди, скалирање на сигнали и друго. 39

41 3.3 Визуализација HMI (Human-Machine Interface), SCADA (Supervisory control and data acquisition) HMI терминалите се користат за интеракција на човекот со машините или индустриските постројки. Се користат за прикажување и измена на податоците во PLC-то што ја отфрла потребата од користење на разни прекинувачи, сигнални сијалици и потенциометри. При изработката на визуелизација во зависност од барањата на корисникот се води сметка за функционалноста и прегледноста: 1. Визуелизација за локално управување и централен мониторинг. 2. Самостојни SCADA уреди со интернет пристап. 3. Обработка на податоците, прикажување, евидентирање и известување. 4. Дојава на алармантни состојби: SMS (Short Message Service), , телефонски повик. 3.4 Комуникациски системи Комуникацискиот систем претставува интеракција во системот помеѓу апликациите за контрола. На одреден компјутер, може да коегистираат различни апликации, некои се временски предизвикани, а некои се предизвикани од настан. Тие може да комуницираат со далечни апликации од трет вид (временски-предизвикана апликација може да комуницира со примена на апликација предизвикана од настан). Самата комуникациска мрежа може да биде изградена според парадигмата, која ќе биде предизвикана од настан, временски предизвикана, или комбинација од двете. Идеално, системот за комуникација мора да ги поддржува сите кобинации. 3.5 Дискретни настани за системска контрола Дискретните настани ва системите може да се објаснат како збир на задачи, коишто се активираат заедно со појавувањето на настанот. Ако ги дефинираме настаните како значајна промена (или секвенца на значајни промени) на состојбата во процесот, оваа промена се открива од страна на некои влезни кола што континуирано ги следат влезовите. Откривањето на промените, исто така може да се направи и софтверски. Поминатото време помеѓу појавата на настанот и соодветната реакција, често се нарекува време на реакција. Времето за реакција зависи од видот на настанот. Реакциите на настаните вообичаено се решаваат нормално, според редоследот на пристигнување на настаните. Сепак, некои настани може да бидат поважни од други. Итното стопирање во лифт е секако поважно од барањето лифтот да застане на одреден спрат. Тогаш, овој прекин се претвора во приоритет во управувањето со настанот. Во секој случај, случувањата по однапред програмиран редослед, се многу важни за апликацијата. 40

42 Горенаведената техника на спроведување е конвенционална, но не е единствена. Секогаш е возможно да е спроведе дискретен настан во систем како што е континуираниот. Во таков случај сите влезови земаат примероци во редовни интервали, со контрола на софтверот којшто ги детектира промените и ги презема потребните реакции. Ова е начинот на кој се програмираат најмногу, програмабилните логички интервали во PLC модулите. Со ваква имплементација, предност помеѓу настаните, може да се појави само ако настаните се откриени во текот на различни циклуси. Ако се откријат два настани во текот на еден циклус или период, тие ќе се сметаат како истовремени. Во континуираната контрола на системите се издвојуваат четири важни карактеристики: Тие се циклични, често периодични и вредностите на периодот се поставени согласно со динамиката на процесот; Сензитивноста во периодот треба да биде ограничена на неколку проценти во истиот период; Миговите на влезно-излезните параметри се познати однапред и диктирани од системот за контрола; Сите влезови треба да земаат примероци истовремено (синхронизирано). Дискретните настани на системите може да се спроведуваат како и континуираните. Сепак, времето на циклусот треба да одржува ниско ниво, така што сите настани ќе бидат откриени. Овие системи може да се спроведуваат со користење прекини (interupt) со следните карактеристики: моментот на појавата на настанот не е познат, времето на реакција на настанот е ограничено, редоследот на појавата на настаните е важен, реакцијата на некои настани може да има повисок приоритет, откривањето на даден настан може да биде привремено блокирано, постои ограничување во густината на појавата на настанот кој може да управува со системот за контрола Од контролна гледна точка, системот за контрола е најчесто составен од дел кој е временски постојано активен и дел кој активира одреден настан. 3.6 Интегрирани технологии Модерните теренски уреди во фабриките односно автоматизацијата на процесите обезбедија широк спектар на информации. Исто така извршуваат фукнкции кои претходно биле сетирани во PLC модули и системи за контрола. За извршување на овие задачи, алатките за работа, одржување, инженеринг и параметризирање на овие уреди, треба точен и целосен опис на податоците и функциите на уредот. Тоа се видот на функциите на апликацијата, конфигурациските параметри, опсегот на вредности, мерни единици, 41

43 вредности, гранични вредности, идентификација итн. Истото се однесува и за системот за контрола, чии параметри и специфични формати за податоци мора да бидат познати (односно да бидат интегрирани) за да се обезбеди безгрешна размена на податоците со теренски уреди. Слика 6: PROFIBUS PROFIBUS (слика) има развиено голем број на методи и алатки (интеграциски технологии) за овој уред, кој им овозможува стандардизација на уредите за управување. Бројот на ефикасноста на овие алатки е оптимизиран за специфични задачи. DSI (Device Scaleable Integration) е електронски читлив ASCII текст фајл и ги содржи општите и посебните спецификации на уредот, за комуникација и мрежна конфигурација. Секој од записите опишува функција која е поддржана од страна на уредот. Со помош на клучни зборови (key-words), алатката за конфигурација чита идентификација на уредот, прилагодливи параметри, соодветен тип на податоци и дозволени гранични вредности за конфигурација. Некои од клучните зборови се задолжителни, на пример, Име_Добавувач. Други филдови се со опција, дали да биде запишано или не, на пример, Поддржана_Синхноризација. DSI ги заменува претходно конвенционалните прирачници и поддржува автоматски проверки за влезни грешки и конзистентност на податоците, дури и за време на фазата на конфигурација. Подесувањето на профилот на DSI (содржи информации од профилот на семејството на уредот) или поединечен уред DSI (специфичен дизајн) е од суштинско значење за сертификацијата на уредот Електронскиот уред EDD (Electronic Device Description) Тоа е ист уред како и DSI, односно листа со податоци во електронскиот уред, формирана со користење на повеќе моќни и универзални јазици, јазикот за опис на електронскиот уред EDDL (Electronic Device Description Language). Во EDD обично се опишуваат параметри поврзани со апликацијата и функциите на полето на уредот, како конфигурациски параметри, 42

44 опсег на вредности, мерни единици, вредности итн. EDD е хармоничен извор на информации за инженеринг, пуштање во работа, траењето и управувањето со средствата и документацијата. Исто така содржи механизми за поддршка и интегрирање на постојните описи на профилот во описот на уредот. EDD е независен од оперативниот систем и го поддржува корисникот со својата корисничка интерфејс операција. Значи сè се сведува само на една алатка. Што значи, предстои сигурна работа, намалување на обуката и трошоци за документација, не се потребни специфични знаења, а постоечките EDD и библиотеки може да бидат искористени. Концептот на EDD е погоден за задачи од ниски до средно комплексни индустриски системи. 3.7 Вградливи системи во реално време Ќе ја разгледаме реакцијата на воздушното перниче кое се наоѓа во воланот на автомобилот. По детектирање на несреќата, и само тогаш, воздушното перниче се надувува точно навреме нежно да се прифати главата на возчот и да го спречи удирањето во управувачот. Не прерано, бидејќи тоа ќе направи перничето да се изтуши пред да може да го прифати ударот, а ни премногу доцна - бидејќи ќе експлодира, и тогаш може да доведе до разнесување на лицето на возачот, и/или премногу доцна, да спречи удар со главата во воланот. Компјутерскиот систем за контрола на воздушното перниче е пример на еден систем во реално време RTS (Real Time System). Постојат многу различни видови на системи во реално време, вклучувајќи возила, телекомуникациски системи, индустриски системи за автоматизација, апарати за домаќинство итн. Не постои општа согласност по дефиниција за тоа што е систем во реално време, но една препорака за објаснување е скоро прифатена од сите: компјутерски системи кои физички комуницираат со реалниот свет системи кои имаат барања, поврзани со време на интеракција Вообичаено, интеракциите на реалниот свет се случуваат преку сензори и актуатори, наместо на тастатурата и екранот на стандардниот персонален компјутер. Барањата во реално време се изразени на тој начин што интеракцијата треба да се случи во рамките на одредено поврзано време. Треба да се напомене дека ова е сосема различно од барањата на интеракцијата да биде што е можно побрза. Одреден одговор на интеракцијата секогаш мора да се случи во рамките на некое пропишано време, на пример дека, надувувањето на воздушното перниче мора да активира помеѓу 10 и 20 msec од детекцијата на ударот. Во систем кој е дизајниран да ги задоволи ваквите строги барања, тајмингот често е нарекуван како систем во реално време. 43

45 Слика 7. Системи во реално време (Real Time Systems) Општ систем на архитектура за систем во реално време е прикажан на сликата. Оваа архитектура е модел на било кој компјутер со базиран систем за интеракција со надворешна средина преку сензори и актуатори. Наједноставниот систем во реално време е еден процесор, но во многу случаи, систем во реално време е дистрибуиран компјутерски систем кој се состои од сет на процесори поврзани преку комуникациска мрежа. Дистрибуиран систем во реално време вклучува: физичка дистрибуција на барањето; пресметковни барања кои не може да бидат обезбедени од страна на еден процесор; потребата за да се исполнат достапностите, доверливоста или други барања за безбедност; намалување на кабли во системот. Сликата подолу покажува пример на дистрибуирани систем во реално време. Во модерен автомобил, прикажан на сликата, постојат некои 20 до 100 компјутерски јазли, кои во автомобилската индустрија се нарекуваат електронски контролни единици ECU (Engine Control Unit), меѓусебно поврзани со една или повеќе комуникациски мрежи. Потребата да се намали количината на каблите, беше мотивација за ваков вид на електронска архитектура во автомобили. 44

46 Слика 8. Мрежна инфраструктура на Volvo XC Ad Hoc мрежи Ad hoc мрежите се такви мрежи кои спонтано се поставуваат, најчесто за една цел, каде уредите може да се конфигурираат и заменуваат. Кога се користи безжична комуникација, Аd hoc мрежите често ги користат повеќето безжични комуникациски протоколи помеѓу испраќачот и примачот за надминување на ограничениот опсег на комуникација. Како самоорганизирани, во Ad hoc мрежите се можни и апликации, но проблемите, на пример за врската, рутирањето и работата на транспортниот слој, се решаваат одделно. Типичните комуникациски мрежи се состојат од уредите кои се поврзани, со кабелски или безжични комуникациски линкови, каде што структурата на овие врски и комуникацијата помеѓу овие уреди е внимателно планирана и воспоставена. Топологијата на целата мрежа е разумно конфигурирана, кој уред, со кого е дозволено да комуницира. Нефлексибилноста на традиционалните комуникациски мрежи може да биде пречка за многу видови апликации. Во случај каде уредите се динамички распоредени или каде што односите на комуникацијата помеѓу уредите често се менува, новото планирање на стари мрежни структури е прилично тешко. Ако самиот уред не може спонтано да комуницира на потребната основа, ќе се воспостават нови апликациски сценарија. Како примери за динамични сценарија можат да се набројат: поврзување на лаптоп во дом, канцеларија или хотелска мрежа без да се конфигурира; автоматско поврзување на лаптоп компјутери во сала за состаноци за да им се овозможи на учесниците на состанокот споделување на документи; електронските цени користат тагови во трговските центри, надградувајќи ги нивните прикажани цени и информации за производот преку безжичен интерфејс; возилата во автоматизирана фабричка хала комуницираат едни со други и со машините низ кои минуваат, без оглед на моменталната положба на возилото патничките возила меѓусебно се информираат за опасности кои следат на коловозот; 45

47 безжичната комуникација за спасувачките екипи за помош при катастрофи, на пример, пожарникари во шума зафатена од пожар; брзо распоредување на мали, бројни сензори, опремени уреди, на пример сензор за температура, детекција на отровни гасови, во текот на таква катастрофална зона. Концептот на Аd hoc мрежите е развиен за поддршка на вакви видови на апликации. Овај концепт се базира на изградбата на комуникациската мрежа од уредите кои учествуваат на оn-the-fly на едноставен, динамичен начин, со колку што е можно помала интервенција од страна на човек. Овие мрежи се наменети за посебн цели, а не да служат како општа мрежна инфраструктура. За некои од овие сценарија, жичаната комуниакција би имала смисла - лаптопот може да се вклучи во хотелот со помош на кабел. За повеќето сценарија сепак безжичната комуникација е основен избор за практично решение. Оттука, Ad hoc мрежите обично се поврзани со безжична комуникација. Во жичана Ad hoc мрежа, постојат проблеми на автоматската конфигурација и лесна интеграција со постојани ограничувања, на пример, лаптопот на една компанија не може да има пристап до внатрешната мрежа на компанијата од било која локација. Безжичната комуникација, од друга страна, има и свои потешкотии, осебно во ограничениот опсег за комуникација. Во традиционалните безжични комуникациски системи, на пример системите за мобилната телефонија, како глобален систем за мобилни комуникации GSM (Global System for Mobile communication), и овај проблем е надминат со дополнително инсталирање на инфраструктурни компоненти наречени базни станици. Овие терминали учествуваат во пренесување на податоци од еден терминал кон својата дестинација. Податоците ќе патуваат низ неколку безжични комуникации, помеѓу далечински комуникациски мостови, правејќи безжична мулти-хоп Аd hoc мрежа. Ваква мулти-хоп Ad hoc мрежа може да се користи како самостојно решение. Оваа мрежа може да се комбинира со инфраструктурни уреди, што доведува до формирање на хибридни мрежи. Целта за вакви хибридни уреди е да се прошири опсегот на пристапната точка, до податочниот терминал кој е далеку за директна комуникација. Со ова се намалува бројот на точки за пристап, потребен за покривање на дадена област, што би било корисно во средини каде што одредени пречки може да ги попречува радио комуникациите, и покрај кратките растојанија. Користењето на безжичната мулти-хоп Ad-hoc мрежа во индустриските комуникации носи голем број на предности и недостатои. Предностите се едноставните распоредувања и ниската цена, без, или само со малку потребна инфраструктура за поддршка на мобилните уреди. Во однос на физичкиот слој, Ad-hoc мрежите не се разликуваат многу од другите безжични мрежи. 46

48 3.8.1 Сензорски мрежи Во последните години, минијатуризацијата и дизајнот на ниско-моќно интегрално коло ја направија остварлива новата технолошка визија. Со намалувањето на цената, големината и потрошувачката на енергија на уредите во состојба на безжична комуникација, сензорите можат да бидат масовно распоредени насекаде околу нас. Типични задачи на сензорот за таков уред може да се температурата, светлината, вибрациите, звукот, зрачењето итн. Очекуваната големина на ваков вид сензори може да биде неколку кубни милиметри, почетна цена на асортиманот (сензор-нод) помалку од десетина US$ (долари), вклучувајќи ги и крајните радио уреди, микроконтролер, електрично напојување. Сите компоненти групирани заедно во еден уред формираат т.н. сензорски нод или сензорски јазол. Поврзувањето на повеќе сензор-нодови, заедно формираат еден тип на некоја Ad hoc мрежа, односно сензорска мрежа со безжична врска. И големи сензорски мрежи може да се имплементираат со примена на Аd hoc мрежни технологии. Јазлите на сензорот ќе се конфигурираат во хиерархиска мрежа, со одредување кој нод е одговорен за која задача. Сепак, електронската архитектура исто така доведува до други значајни подобрувања, вклучувајќи и значително намалување на загадувањето и нови безбедносни механизми, како што се компјутерски контролираната електронска стабилизација ESP (Electronic Stability Program). Тековниот развој е кон изработка на најголеми безбедносни функции на возилата, ESC (Electronic Stability Control), или DSC (Dynamic Stability Control), како запирање и управување, детектирање на степен на пролизгување на возилото, кое е комплетно компјутерски контролирано. Ова се прави со отстранување на механичката врска (на пример помеѓу управувачот и предните тркала, како и помеѓу педалото за сопирање и сопирачките), заменувајќи ги со микроконтролери-компјутери и компјутерски мрежи. 3.9 Виртуелни приватни мрежи VPN (Virtual Private Network) VPN може да се опише како мрежа којашто обезбедува безбедни, приватни пораки со користење на постојана јавна, несигурна мрежна инфраструктура, како што е Интернетот. Во овај контекст, може да го напомене следното: Јавна мрежа е секоја мрежа која е под контрола на друго лице или која е достапна за повеќе клиенти. Приватна мрежа е мрежа којашто припаѓа на одредена огранизација и е достапна само за овластени службени лица, припадници на таа организација (на пример, вработените во една компанија). Се нарекува виртуелна, поради тоа што користи логичка врска која е изградена на физички врски. Клиент - апликациите не се свесни за физичката конекција и безбедниот сообраќај. Со други зборови, VPN овозможува користење на дел од јавната мрежа за приватни и доверливи цели. VPN е наменета за да им даде на организацијата исти способности како 47

49 приватната мрежа која се базира на изнајмени линии, но со многу пониска цена. Приватноста ќе се одржи преку користење на безбедности механизми, врз основа на генерирање на посебни протоколи. За безбедно и ефикано работење на VPN мрежата, треба да се обезбедат следните функции: Да се спроведе целосна мрежно - безбедносна политика; Да се обезбеди VPN сообраќај, којшто е предмет на мрежата за контрола на пристап; VPN портал со заштита од безбедносни закани; Да се обезбеди целокупна архитектура која ги оптимизира VPN и перформансите на FireWall (заштита од надворешни упади). Клучните технологии кои ја вклучуваат компонента на безбедност на VPN се: контрола на пристап, да се гарантира безбедност на мрежните врски; енкрипција (доверливост), да се заштити приватноста на чувствителните податоци; проверка за потврда на идентитетот на корисникот, како и интегритетот на податоците; процедури за размена на клучеви (KeyWords) и дигитални сертификати меѓу различни корисници VPN Конфигурации Корисник до веб преку VPN конекција VPN, преку апликација обезбедува лесен механизам кој ќе овозможи далечински пристап до приватна мрежа во организацијата. Во минатото, корисниците кои работат на локации надвор од централата, или додека патуваат, морале да се поврзат на мрежата на компанијата преку телефонски (dial-up) врски до базниот модем. Сега, интернетот обезбедува алтернатива, со поврзување на корисникот до најблискиот интернет провајдер и пристапување до мрежата на компанијата. VPN со јавна инфраструктура, може да ја замени традиционалната широкопојасна мрежна WAN (Wide Area Network) архитектура. Тоа е овозможено со користење на точка-доточка, (point-to-point) или изнајмени линии помеѓу канцелариите во една компанија. WAN најчесто се во приватна мрежна сопственост, и може да се простираат на голема географска област, обично низ земјата или контитентот, и LAN (Local Area Network) интерконекција на различни локации. 48

50 Слика 9. Широкопојасна Wide Area Network Архитектура Примерот на сликата, покажува една компанија со три канцеларии лоцирани на различни локации. Секоја канцеларија има потреба од пристап на интернет, како и да биде поврзана со други канцеларии. Традиционално, поврзувањето меѓу канцелариите се добива со помош на еден посветен WAN, врз основа на изнајмени линии. Сепак, ако се користи VPN како што е прикажано на сликата, во секоја канцеларија е потребна само една интернет конекција Екстранет Екстранет е мрежа која е конфигурирана да овозможува пристап до одредени доверливи страни од одреден регион на внатрешната мрежна организација. Доверливите страни, може на пример да вклучуваат клиенти и други организации кои соработуваат на проектот. Сликата подолу, покажува еден пример каде што една компанија нуди пристап до клиентите преку посебна линија. Слика 10. Посебна линија со VPN пристап Услугите за контрола на пристап и автентикација на VPN, се користат за доделување на дискрецион пристап на клиенти и партнери, до информации и ресурси за приватна мрежна организација. 49

51 3.10 WLAN безжична технологија за фабрички хали Безжичните комуникациски системи се во постојано зголемување во бројот на области во кои се применуваат и поради тоа постигнуваат голема популарност. Безжичната телефонија и мобилните системи се присутни во нашиот секојдневен живот, а безжичната локална мрежа WLAN (Wireless Local Area Network) им служи на повеќето луѓе како основно средство за пристап до бизнис апликации и лични услуги овозможени од тие апликации. Две важни предности на безжичната технологија коишто се клучни за овај успех се: потребата за поставување на мрежни кабли е значително намалена и второ, компјутерите заедно со корисниците можат да бидат мобилни. Овие предности не само што заштедуваат трошоци, но исто така и овозможуваат развој на нови кориснички апликации. Ова посебно важи и за фабричките погони, каде што безжичната технологија може да биде употребена на повеќе различни начини: апликации со мобилни потсистеми, на пример, автономни превозни средства, роботи; спроведувањето на дистрибуираните системи за контрола во недостапни области, во присуство на агресивни хемикалии или топлина; брзи прототипи на индустриски погони без многу напор во каблирање; мобилен фабрички дијагностициран систем и безжична станица за репрограмирање и конфигурација. Сепак, при интегрирација на WLAN технологиите во фабричкиот погон, две работи мора да се земат во предвид: од една страна посебните барања на индустриските апликации, особено во врска со сигурноста и тешко остварлива комуникација во реално време, како и временски различни грешки во преносот на пакети со податоци. Протоколите треба да се специјално приспособени за безжични медиуми, а на тој начин тие мора да бидат од различни протоколи кои се користат во индустрискиот жичен комуникациски систем. Во индустриските апликации, клучна улога играат барањата во реално време. Во согласност со ова, се преземаат следните активности за комуникаци во реално време: (a) безбедносно-критичните пораки мора да бидат пренесени со сигурност; (b) мора да постои поддршка за приоритетните пораки; (c) пораки со строго ограничено време обично имаат голема важност. Квалификациите ограничено време произлегуваат од фактот дека загубите или крајните рокови ја промашуваат безбедноста на критичните пакети, а тоа може да доведе до оштетување на работната околина или опремата Архитектура на мобилните луѓе MPA (Mobile People Architecture) Главната цел на MPA е да одржат достапност од лице до лице, истовремено зачувувајќи ја приватноста на мобилниот корисник. Во архитектурата на мобилните луѓе, секој 50

52 поединечен корисник се идентификува со личен онлајн ID-број. Корисникот се адресира од дирекно од апликација му се доделува единствен ID-број кој е уникатен и се вчитува од база на податоци за корисници. Во архитектура на мобилните луѓе, кога ново лице е додадено на мрежата, е наречено личен посредник и се однесува како рутер за личен план (овој рутер за личен план е додаден на комуникацискиот модел над апликациското ниво). Личниот посредник ја следи моменталната достапност на корисникот, ги претвора медија фајловите читливи за корисникот и испраќа податоци до специфичен завршен систем. Лоциран е во мрежата на мобилниот домаќин или е предложен од страна на доверлив сервер на трето лице. Кога корисникот сака да контактира со мобилното лице, се испраќа повик (повикот се смета како еден вид сесија) до личниот посредник, а потоа и до претпочитаниот завршен систем на мобилното лице. Кога достапноста на мобилното лице ќе се промени, агентот за следење ја ажурира состојбата на посредникот. Ажурирањето може да биде завршено на закажан начин, рачно или автоматски. Слика 11. Архитектура на мобилните луѓе Се претпоставува дека со локалната подвижност се справува во рамките на пристапната (достапната) мрежа која е скриена од личниот посредник. Во случај каде корисникиот го менува завршниот систем може да биде сметано како вертикален пренос. Потоа корисникот го ажурира личниот прокси сервер (рачно или автоматски) и новите повици ќе бидат упатени до новиот кориснички интерфејс - ASA (Advertising Standards Authority). После добивањето на потврда за автентичност, корисникот може да продолжи понатаму Поврзување на фабричките хали со интернет Ако се верува во современите реклами и маркетинг-статиите во различни автоматизациски домени, поврзувањето на Fieldbus системите и интернетот е основна тема 51

53 во автоматизацијата. Поконкретно, се зборува за поврзаноста меѓу постоечките производни системи за автоматизација, кои може да вклучат во автоматизациски мрежи и мрежи базирани на интернет протоколи (IP). Она што се рекламира како од голема корист за интерконекцијата, во суштина се сведува на два големи, но сепак испреплетени аспекти. Тоа е далечински пристап до сисемот за автоматизација и ветувањето за лесна интеграција на автоматизирани податоци, во срединa лесна за користење. Во основа, постојат две причини зашто Fieldbus/Интернет конекцијата би можела да биде исплатлива: 1. Да се прошират физичките димензии на системот за автоматизација. Проширувањето на типичната автоматизациска мрежа е прилично ограничено поради ограничените должини во Fieldbus-сегментите и недостаток на можности за рутирање. Ако интернет инфраструктурата е достапна, таа може да се користи како еден вид на 'рбет за да се поврзат со далечинските делови од инсталацијата. 2. Да се обезбеди вертикална интеграција. Во делот на автоматизација, овај широко употребуван термин во суштина значи доведување информации од системот за автоматизација во корисничка рамка односно во доменот на канцеларијата. Тоа може да се користи не само за добивање и анализа на податоци, туку и за стратешки операции како што се управување со системи или планирање на ресурси. Вториот аспект во моментот е во фокусот на маркетинг случувањата, поврани со зголемена употреба на интернет во индустриската автоматизација. Идејата за интеграција не е ништо ново. Корените датираат од 1980-тите кога беше развиен компјутерски интегрираниот производствен концепт CIM (Common Integration Model). Хиерархискиот модел, беше еден од првите обиди да се структурира протокот на информации во рамките на една компанијата. Начините да се подготви оваа пирамида, на индивидуално ниво се разликуваат во зависност од областа на примена, но крајната цел секогаш била иста: да се обезбеди транспарентна размена на податоците помеѓу различни нивоа (добавувачпроизводител-краен корисник). Првите обиди да се спроведе концептот CIM беа повеќе или помалку залудни, нелогички од повеќе технолошки причини. Од една страна, протоколите дизајнирани за комуникација во автоматизација на системот, се во суштина за автоматизација на протоколот на производство MAP (Manufacturing Automation Protocol). Како полноправна членка на спроведување на моделот ISO/OSI (International Organization for Standardization / Open System Interconnection model) се премногу сложени. Од друга страна, напредокот на микроелектрониката како технолошки 'рбет уште не беше доволно блиску да обезбеди доволно компјутерски ресурси по разумна цена. Fieldbus системите, како автоматизациски мрежи на ниско ниво, беа во рана фаза од нивната еволуција. Оттука, од мрежна гледна точка, не постоки алката помеѓу вистинскиот извор на податоци на процесот и веќе постоечката мрежна конфигурација. Делумно водени од специфични потреби на автоматизацијата, Fieldbus системите се појавија како автоматизациски мрежи. Тие ги исполнија празнините во мрежата во најниско 52

54 ниво на автоматизациската пирамида, обезбедување на основна точка на поткрепа за подоцнежните интеграциски напори. Големиот скок напред за интеграцијата се појави со развојот на интернетот, поточно со појавата на пребарувачите WWW (World Wide Web). Додека во доменот на Fieldbus, се уште постојат долги и тешки процеси на стандардизација, една канцеларијата за комуникација, во светот е базирана на сопствен интернет протокол и одреден број на познати кориснички апликации. Сепак, веб пребарувачот станува сеприсутна алатка за прифаќањето на интернетот и обезбедувањето на доминантна улога на IP пакетот. Од гледна точка на корисникот, на веб пребарувачот им овозможува пристап и до најоддалечените податоци на речиси тривијален начин. Оттука, не е чудно што со лесна навигација низ хипертекст документи се усвојува како модел за далечински пристап до автоматизирани податоци. Како резултат на тоа, многу решенија на Fieldbus/Интернет конекцијата се потпираат на мрежната технологија и интерфејсот на веб-пребарувачот. Сепак, впечатокот дека интернетот природно го повлекува единствениот начин на далечински пристап до автоматизациските мрежи е неточен. Корисничкиот интерфејс е еден, а основните механизми и структура на податоците се друг аспект. Всушност, кога станува збор за спроведување на меѓусебна поврзаност, IPбазираните мрежи и Fieldbus системите за автоматизација, постои изненадувачки спектар на можности дури и во значително "стандардизирани" околности Безбедност во мрежите за автоматизација на индустриско производство Во текот на последните 20 години, главниот фокус за развојот на мрежното поле FAN (Field Area Networks) или fieldbus системи) беше на запознавање на техничките побарувачки од различни апликациски области, кои довеле до широк спектар на различни системи. Постојаните напори за стандардизација, кои се уште продолжуваат, до денес доведоа широко прифатени заклучоци, потребни за различни коегзистирачки FAN решенија. Во исто време, визуелните технологии кои го сочинуваат денешниот интернет, на крајот доведоа до огромен пораст во користењето на интернетот, заедно со широкиот спектар на IP протоколи за мрежна употреба. Постоењето на интернетот предизвика нов интерес за тековна вертикална комуникација и доведе до различни решенија, да ги поврзе FAN решенијата, базирани на решенија од било кои веб технологии како HTTP (HyperText Transfer Protocol), Java и XML. Исто така може да се најдат протоколи и на повисоко ниво како што се SNMP (Simple Network Management Protocol) или LDAP (Lightweight Directory Access Protocol). До денес се уште не е јасно кој е најдобриот начин за поврзување на FAN решенијата со интернетот, особено поради лошата репутација кога е во прашање неговата безбедност. Ова е затоа што во неговата оргинална форма интернетот не дава некоја голема безбедност. Во однос на ова, потребно е да се проучуваат безбедносните прашања коишто се јавуваат во конекцијата меѓу FAN решенијата со интернетот. Наместо тоа, се појавува потреба да се избира општ пристап, кој ќе вклучува безбедносни мерки на самото соодветно ниво на FAN решенијата. Јасно е дека крајната цел треба да биде интеграција на безбедносни 53

55 карактеристики (како топологија, структура, пристап, безбедносни системи и други) која конечно треба да одлучи кое FAN решение ќе се користи за да се реализира одредена задача Основни безбедносни прашања Мерките за безбедност за ИТ системите во секоја организација се стремат кон остварување на три основни безбедносни цели, доверливост, интегритет и достапност на податоците. Било која безбедносна политика мора да биде одобрена од страна на раководството и прифатена од корисниците на ИТ системот. Неформална почетна точка за равој на безбедносната политика е Site Security Handbook, кој е насочен кон сите системи коишто се поврзани на Интернет. IT Baseline Protection Manual, е прирачник за воспоставување на безбедносната политика и дополнително нуди најдобри заеднички практики за проведување на безбедносни мерки базирани на Британскиот стандард 17799, кој беше усвоен како ISO/IEC Во фазата кога се започнува со дизајнирање на систем за индустриска автоматика, безбедносниот дизајн е исто така утврден со помош на проценка на чуствителност. Во фазата на развој, условите за безбедност како и методите за нивно спроведување се вклучени во вкупната спецификација на системот. Во текот на спроведувањето на безбедносни мерки на системот, тие се активираат и тестираат. Во фазата на работење и одржување, операциите поврзани со безбедноста, заземаат место и во оваа фаза. Исто така, во оваа фаза системот за ревизија и следење може да доведе до промени, доколку се пронајдени нови безбедносни ризици Заеднички мерки за безбедност Криптографија Криптографијата често се користи за спроведување на услуги каде се потребни доверливост и заштита на интегритетот, како на пример, контрола на пристап. Основни постапки на криптографијата се: безбедносен криптографски генератор на случајни броеви - CSPRNG (Cryptographically Secure PseudoRandom Number Generators) кој генерира случајни броеви (клучеви) во протоколот; криптографски хаш (#) функции кои често се користат во комбинација со електронски потпис или за генерирање на пораки коишто идентификуваат кодови; симетрични и асиметрични енкрипциски функции кои се користат за заштита на доверливоста на податоците или за изградба на електронски потписи. 54

56 Проверка на автентичност и контрола на пристап Мерките за проверка на автентичноста се користат за утврдување на индентитетот на лицето. Тоа може да биде вистински корисник, процес кој дејствува во име на корисникот или улогата на самиот корисник за време на сесијата. Голема е разлика помеѓу проверката како да се најде лозинка, во систем како Unix или Windows и силна автентикација, којашто обично се базира на протоколи прашање-одговор. Логираните лица, може да бидат подложени на контрола на пристап до механизмите коишто им овозможуваат да се утврди дали е дозволена посакувата акција на ентитетот. Освен едноставните модели, како листи за контрола на пристапот и други дискрециони модели, постојат и задолжителни модели кои се наоѓаат главно во воените системи. Заштитен ѕид (Firewall) и откривање на упад Првиот обид да се спречи нелегален пристап до влезно-излезните конекции, се на пример, пакетите за филтрирање. Тие ги следат и анализираат шемите за мрежен пристап и се обидуваат да го детектираат нарушувањето на безбедноста и/или нападите, коишто се однесуваат на администраторот на системот. Оптимизацијата на техниките за конфигурирање на заштитен зид може да се подреди на следните фази; Да се искористат практиките од најдобрите понудувачи на пазарот и да се одбери моделот на специфична конфигурација која ќе одговара за системот. Неколку важни чекори кои треба да се превземат при конфигурација се: Обезбедување на излез на податоци во согласност со политиките на фирмата. Ова значи да се исчисти мрежата од несакан, некомпатибилен и неовластен сообраќај. Поставување филтер на рутерот, односно заштитен зид во првиот пристап кон мрежата. Доколку се обезбеди ваков заштитен пристап, серверите остануваат чисти од надворешни упади. Редовно прочистување на базата од неискористени правила и објекти. Тука се мисли на редовно сервисирање на табелите каде што се наоѓаат корисничките имиња, лозинките и примарните клучеви на корисниците, посебно ако се во форма на криптирани податоци. Безбедносни проценки Изградбата на безбедносен систем е комплицирана задача, вклучувајќи голем број на различни вештини и знаења. Познат пример за неуспешен систем за безбедност е безжичниот еквивалент за приватност WEP (Wired Equivalent Privacy) којшто е дизајниран да ги заштити протоколите од фамилијата на , кај безжичните WLAN (Wireless Local Area Network) мрежи, кој доживеа неуспех. 55

57 Во поново време изграден е метод за воведување доверба на новиот систем за евалвација на безбедноста од страна на трети лица, во согласност со меѓународните стандарди за безбедност. SS (Security Standard) е најновиот безбедносен стандард во развојот на серијата на меѓународните безбедносни стандарди. За да се помогне во подготовките за сертификација на безбедносен систем, се користат веќе постоечки таканаречени профили за заштита PP (Profile Protection) кои се однесуваат на различни безбедносни области. 56

58 4. Дефинирање на методи и пилот платформа за практична имплементација на IoT концептот. Индустриската автоматизација мора да се базира на безбедно, сигурно и непречено работење, коe е солидна основа да се одговори на барањата на процесите на автоматизација. Трансформацијата на индустрискиот сектор е сеуште во почетна фаза. Потенцијалните придобивки од имплементацијата на IoT концептот може да го осетат сите кои на било кој начин се поврзани со таа индустрија, односно синџирот на компании со кои соработуваат. Благодарение на интелегентни решенија можат во доста голем процент да се намалат оперативните трошоци, а во исто време да се зголеми сигурноста во работењето. 4.1 Лесно достапни и финансиски исплатливи уреди На пазарот постојат разни платформи од познати производители кои се наменети за автоматизација во индустријата. Како пример може да се земат производите на Intel, кои се во постојан развој во своите перформанси. На следната слика е прикажан еден сервер со одлични карактеристики, 32GB DDR4 мемoрија и брзина од 2400 MHz. Паралелно со перформансите и цените на ваквите уреди се доста високи. Ако на ова ги додадеме и трошоците за сензори, актуатори, тогаш автоматизирањето на една фабричка хала може да ги надмине трошоците кои се планирани за изградба на истата. Слика 12. Intel-ов сервер Меѓутоа во последно време се појавууваат најразлични платформи, кои со своите перформанси ги исполнуваат условите за автоматизирање на процеси. Овие уреди кои се со големина на кредитна картичка, се опремени со доволно меморија и солидна брзина ѕа обработка на било какви сигнали. Вакви уреди на пазарот можат да се најдат по цени од 5 до 100 долари, во зависност од потребите на корисникот. За овие уреди со вртоглава брзина се произведуваат актуатори-релиња кои реагираат и на најмал променлив напон, на излезот од платформите. Исто така произвоството на сензори расте од ден на ден, така да, скоро и да постои сензор за секаква намена и мониторинг. На сликата подолу се преставени 37 типови на сензори, кои се продаваат на пазарот по цена од долари. 57

59 Слика13. Разни типови на сензори Во продолжение ќе бидат преставени и објаснети неколку типови на платформи и уреди кои се употребени во проектот со сите нивни перформанси nrf24lo1+ Single Chip 2.4Ghz Transceiver Слика 14. nrf24l01+ Single Chip 2.4GHz Transceiver nrf24l01+ е безжичен уред со вграден сигнал со основен протокол за апликации со ултра мала потрошувачка на енергија. Дизајниран е да работи насекаде низ светот, со работна фреквенција во распон од GHz. За да фунционира му е потребен само еден микроконтролер и екстерни пасивни компоненти, на пример сензори. Се конфигурира и става во работен мод преку сериски интефејс SPI (Serial Peripheral Interface). 58

60 Технички карактеристики - Големина 33 х 15mm - Брзина на испраќање на податоци 250kbps, 1kbps 2kbps - Регулација на напонот на чип од 1,9 до 3,6V - 6 data pipe можност за примање на сигнали од 6 уреди истовремено (корисно за 1:6 звездаста безжична топологија) - Потрошувачка во мирување 900nA - Потрошувачка при примање на сигнал 13,5mA RX data - Вградена антена - Вграден кристален осцилатор - Работна температура од -40 до +85 C DHT11 Humidity & Temperature Sensor Сензор за мерење на температура и влажност на воздух Слика 15. DHT11 сензор со штек модул DHT11 е дигитален сензор за мерење на температура и влажност на воздух. Основни а воедно и најважни карактеристики на овој сензор се ниска цена на чинење, прецизни мерења, брза реакција на променлива околина, без попречувања во мерењата, дигитален излезен сигнал и прецизна калибрација на вредностите. Во овој проект ќе се употребат два вакви синзори, кои ќе мерат температура и влажност во околината каде што ќе бидат поставени. Технички карактеристики - 4 пинови, напојување DC 3,5 5,5V, дата пин, негативен, и еден слободен пин - период на семплирање 2 секунди - сериска комуникација преку 1 жица (single-wire bi-directional) - потрошувачка на енергија при мерење 0,5mA, во мирување 100µA 59

61 4.1.3 XBee S1 Module XBee S1 модулот е основен производ од палетата на XBee, вградени радио фреквентни RF (Radio Frequency) уреди кои се изработени по OEM (Original Equipment Manufacturer) технологија. Тоа значи дека се произведени по специфична платформа која е идентична со технологии коишто се од други произведувачи. Можат слободно да се користат и како вграден дел од некој друг систем. Изработени po ZigBee/Mesh тополгија и обезбедени се два вида на решенија и тоа на 2.4 GHz и 900 MHz. Самиот дизајн обезбедува едноставна промена на модулот, со едноставно вштекување, доколку некоја динамичка апликација има потреба од тоа, со минимален развој, односно промена на апликацијата, без никаков ризик и релативно скратено време за набавка и промена. Слика 16. Xbee S1, Xbee PRO S1 (слика десно модулот кој ќе се користи во проектот) Значи, од погорните слики можеме да забележиме дека распоредот на пиновите е идинтичен кај двата модела, што значи дека нема да има никаков проблем при замена на еден модел со понов модел, за добивање поголеми перформанси. При промена на модул, единствено што треба да се направи е сетирањето на мрежата, односно конфигурирање на адресата на новиот модул, а апликацијата за користење може да остане иста. Во некои случаи може да се зголеми само брзината за проток на податоци. Овој тип на модул е идеален за апликации кои користат временски одреден пренос на податоци. Овозможува брз пренос на податоци во сите типови на топлогии и кофигурации. Овие таканаречени мултипоинт производи, не се само чиста замена за кабловска комуникација, туку можат да се користат и за посложени видови на комуникација кај безжичните сензорски мрежи. Програмерите со право ги нарекуваат модули со бескрајни можности за комуникација. Технички карактеристики работат на Multipoint мрежна топологија, 2.4 GHz се користи за употреба низ целиот свет, 60

62 900 MHz при поголем опсег на делување, комплетно се оперативни со останатите уреди на Digi Drop-in Networking производи, а тука се вклучуваат и мрежните рутери, адаптери, и останати додатни уреди за индустриска електроника, заеднички-универзален XBee отисок-штек на пинови за останати варијации од RF модули, ниска потрошувачка на енергија во sleep мод, повеќе опции за антенски додаток, индустриска работна температура во опсег (-40ºC до +85ºC), можни се опции по нарачка за поголем домет на работа Адаптери за програмирање на Xbee модули (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) UART SBee V4 е компактен USB кон Сериски Адаптер, специјално опремен со XBее (20pin 2.0mm) подножје или приклучок. Специјално е наменет за програмирање на XBее модули. Со интегриран FT232 IC чип, може да се употребува за комуницирање со останати апликации и програмирање на некои платформи од програмата на Arduino (пример на сликата програмирање на Arduino-Fio). Слика 17. UART Sbee V4 за програмирање на Arduino-Fio Овој модул може да се користи и за програмирање и за комуникација. Во пакувањето при порачка, доаѓа со 6-пински FTDI кабел. Тоа е USB <=> TTL сериски кабел, со вграден FTDI FT232RL чип, директно вграден во главата на кабелот (во делот кој влегува во компјутерот). 6-пинскиот приклучок, ги содржи следните конектори: 61

63 5V (VCC Voltage at the Common Collector), GND (Device Ground Supply), RX (Receive Asynchronous Data Input), TX (Transmit Asynchronous Data Output), RTSCO (Request to Send Control Output) CTSCO (Clear to Send Control Input) таканаречен Handshake сигнал Слика 18. UARTSBee V4 адаптер Ова значи дека е опремен со сите логички нивоа потребни за програмирање и пренос на податоци со јачина од 3V. Технички карактеристики: Ресет батонче за Xbee модули 3.3V и 5V јачина на излез 3.3V и 5V компатибилна јачина за влезно-излезните портови USB 2.0 протокол Bit-Bang мод (техника за сериска комуникација) UARTSBee V5 Овој адаптер е понова верзија од UARTSBee V4 адаптерот. Се разликува по тоа што е додаден прекинувач (SW3) кој може да се користи за програмирање и на Mesh Bee модули. Технички карактеристики: FTDI компатибилен кабел, USB 2.0 компатибилен сериски интерфејс, 62

64 3.3V и 5V компатибилен излез на портовите, 3.3V и 5V излезна снага, Ресен батонче за ХBее модулите, Bit-Bang мод (8 Сериски влезно-излезни портови SPI), LED диоди за UART и BEE комуникација при извршување на операции, Може да програмира и Mesh Bee модули UARTBee V5 има вграден прекинувач (SW3) со кои може FT232RL чипот, преку UART интерфејсот, да ги пренасочи портовите Tx1/Rx1, за да се постави поинаков програм интерфејс, со којшто се програмираат Mesh Bee модули. Слика 19. UARTSBee V5 адаптер Спецификација: Микропроцесор: FT232RL Големина на плочката: 3.1cm x 4.1cm Лед индикатори: Вклучено, Лед индикатори за примање и испраќање на сигнали (TXD и RXD) Јачина на струја: 3.3V и 5V DC Приклучок: MicroUSB Подножје: XBee компатибилно 2.0mm женски пин -хедер Основна конекција: USB порт Комуникациски протоколи: UART, Bit Bang I/O, SPI ROHS - тестиран дека не е направено од отровни или радиоактивни елементи 63

65 Слика 20. UARTSBee V4 и UARTSBee V5 адаптер со вклучени Xbee модули Апликации за програмирање на Xbee модули XCTU е слободна (Freeware) мулти платформа, апликација која е дизајнирана да им овозможи на програмерите, да направат интеракција со Digi RF модулите преку графичка апликација, која е едноставна за користење. Апликацијата вклучува нови алатки со кои лесно може да се сетира, конфигурира и тестира било кој од XBee RF модулите. Карактеристики кои би требало да се напоменат за користење на оваа апликација се: Може да се конфигурираат истовремено повеќе RF уреди, дури и тие што се безжично конектирани, Процесот на автоматско ажурирање на нов firmware, дава можност автоматски да се направат промени, Специфични API и AT конзоли, дизајнирани се да може да се започне со програмирање на радио модулите од нула, Постои можност да се сними сесија од конзолата на апликацијата и да се вчита на друг компјутер, XCTU содржи и додатни алатки, кои функционираат и без да биде вклучен RF модул: o 4Frames generator: Лесно да се декодира и снима API вредноста, 64

66 o Frames interpreter: Декодирање на API рамката и согледување на специфични вредности, o Recovery: Опоравување на модулот, доколку софтверски го оштетиме во текот на програмирањето, o Load console session: Вчитување на сесија од конзолата снимена на било кој PC на којшто е инсталиран XCTU, o Range test: Тестирање на повеќе модули во иста мрежа, o Firmware explorer: Едноставно навигирање на нова firmware библиотека. Процесот на ажурирање на апликацијата е потполно автоматски без потреба од спуштање и инсталирање (download) на екстра фајлови. Програмирањето на модулите започнува со стартување на апликацијата и кликнување на батончето Add devices. Секако треба да се напомене дека модулите треба да се поставени на адаптерот и вклучени на еден од USB портовите на компјутерот. Слика 21. XCTU Старт, Add device Со селектирање на портот на кој е приклучен (во повеќе случаи портот на кој е приклучен модулот веќе е прикажан), бидејќи апликацијата автоматски го детектира Xbee модулот. Во конкретниот случај, за овој проект, двата модули се приклучени на портовите COM5 и COM6. Последно што треба да се направи во овој дел е кликнување на батончето Add selected device. 65

67 Слика 22. XCTU Add selected device Следно на екранот од лева страна ќе се појави листа со уредите коишто во моменот се приклучени на компјутерот (слика подолу). Слика 23. XCTU radio Configuration Со селектирање на еден од двата модули можеме да ја менуваме, односно сетираме конфигурацијата (Radio Configuration). За да комуницираат двата модули меѓусебно, односно заемно да испраќаат и примаат сигнали, најважни се 5 почетни сетирања: ID PAN ID - во проектот е означена со 2016 (основната вредност е 3332) DH Destination Address High - првите 6 знаци од МАС адресата на модулот со кој ќе комуницира модулот којшто се сетира DL Destination Address Low - вторите 8 знаци од МАС адресата на модулот со кој ќе комуницира модулот којшто се сетира 66

68 CE Coordinator Enable - Се сетира вредност 1(Coordinator), што ќе значи дека овој модул е основен во мрежата. Останатите модули ќе бидат со вредност 0 (End device). BD Interface Data Rate брзина на пренос на податоци, во проектот е сетирано на 57600, а основна вредност е NI Node Identifier Идентификација на модулите од страна на корисникот, за полесно паметење, во проектот, основниот модул е наречен Router, a другиот Remote Слика 24. XCTU radio Configuration на Кординаторот (Router) Откако се направени основните сетирања може да пристапи кон проверка на комуникацијата помеѓу двата модули. Со кликнување на икончето од апликацијата, ќе се отвори конзолата за комуникација. Икончето, ќе воспостави сериска конекција помеѓу компјутерот и адаптерот. Истото треба да го повториме и за вториот модул. Од овој момент значи дека Xbee модулите со називи Router и Remote комуницираат со протокол XBEE , брзина на пренос на податоци бита, во PAN (Personal Area Network) којашто во проектот е именувана со Ако сакаме да провериме дали навистина реално комуницираат во делот Console log, можеме да пишуваме било каков текст (сина боја, од кординаторот), а истиот треба да се појави со селектирање на вториот модул, во делот Console log, само со црвена боја и обратно. Објаснувањето погоре може да се види во следните две слики. 67

69 Слика 25. XCTU Комуникација кога е селектиран Router (Coordinator) Слика 26. XCTU Комуникација кога е селектиран Remote (End device) 68

70 Доколку ја користиме истата апликација за да добиваме одредени податоци преку XBee модули, можеме истите да ги зачуваме во.log фајл Relay Shield V1.3 со вграден Xbee-ZigBee адаптер Слика 27. Relay Shield V1.3 Уредот кој е претставен на сликата, е развојна плочка со вграден адаптер за Xbee модули. Плочката е адаптирана за надградба на развојни платформи од фамилијата на Arduino. Оваа развојна плочка може да биде ставена како надоградба на Arduino платформата, а може да функционира и самостојно. Основни делови на оваа развојна плочка се 4 механички релиња, марка SONGLE, со можност на оптеретување до 70W. Сите 4 релиња имаат можности за состојба на NCx (Normally Closed), нормално затворени и NОx (Normally Open), нормално отворени. Релињата можат да се контрлираат преку Arduino платформите, а може да се контролираат и со далечинско управување преку XBee модул, кој може едноставно да се приклучи во делот-адаптер кој се наоѓа на плочката. Напојувањето е независно, користи 9V напон (адаптер или батерија), а минимална енергија за работа му е 7V. 69

71 4.1.8 Arduino-UNO Слика 28. Arduino-UNO Arduino-UNO претставува електронска платформа, која користи 32-KB Atmega328P процесор, компатибилен со повеќето Ардуино платформи, програмабилна, од типот на отворен код (open-source). Може да се се програмира во дот НЕТ Микро развојна околина.net Micro Framework. Ова би значело дека интелектуалци од разни области и програмери можат успешно да ги остварат своите идеи во проекти на лесен и брз начин. Оваа платформа овозможува многу лесно да се напише код којшто ќе комуницира со едноставни електронски елементи, а можно е да се испрограмираат и пософистицирани комерцијални потфати. Благодарение на карактеристиките коишто ги има.net Micro Framework, пишувањето на код во него е лесно и разбирливо, затоа што изобилува со помошни алатки и дебагер, кој овозможува следење на извршувањето на програмата линија-по-линија. Друга работна околина која повеќе се користи од страна на програмерите е Arduino Software (IDE- Integrated Development Environment). Ова е софверски пакет во кој се вклучени алатките кои служат за програмирање и за дебагирање, односно тестирање на напишаниот софтвер. Една ваква апликација ги содржи основните елементи за програмирање, како што се: едитор за пишување на кодот, компајлер за преведување на кодот, вчитување на кодот во платформата и на крај сериски интерфејс со кој може да се тестира напишаниот код. Сето ова е вклопено во само еден графички интерфејс. Технички карактеристики Atmega328 processor - 32KB од кои 0,5 KB се резервирани за бутлоадерот. Исто содржи 2KB SRAM меморија (Static Random-Access Memory). 6 Analog Input headers 70

72 На плочката се наоѓаат 6 аналогни влезови, кои се користат за конектирање на аналогни сензори, за мерење на најразлични физички големини и тоа: Влажност Температура Светлина Притисок / маса Движење По потреба, овие пинови можат да се дефинираат и како дигитални влезови/излези. Тоа значи дека е овозможено да се читаат и дигитални вредности од нив (Digital I/O pins). 14 Digital Input/output headers Дигитални влезно-излезни пинови, се користат за процесирање на дигитални сигнали како влезови и излези: Оф/он влезови читаат најразлични прекинувачи, тастери, дигитални сензори; Оф/он излези - вклучуваат лед диоди, релиња, прекинувачи; Комуницираат со стандардни комуникациски протоколи I2C, SPI, UART serial;. Некои од нив имаат можност да пулсираат при проток на напон, на пример, за контрола на брзина на мотор или промена на јачина, односно контраст на лед диоди. Pushbutton Самиот превод кажува дека, ова e батонче кое се користи за рестартирање на апликацијата која е вчитана во процесорот. Може програмски да се искористи за преземање на одредена акција при негово притискање. Исто така се користи за апдејтирање (up-to-date) на фирмверот (firmware update) додека се стартува бутирањето на процесорот. Тоа се постигнува со подолготрајно држење на копчето, во моментот на вклучување во USB портот од компјутерот. Power and user LEDs Постојат два типа на сигнални лед-диоди на електронската плочка. Зелената диода свети додека Arduiono-UNO плочката е вклучена и е во работен мод (pwr). Диодата означена со L се вклучува на стартот, односно со вклучување на напојувањето и се гасни по неколку секунди. Гаснењето на диодата означува дека системот е стартуван, односно се вчитани основните инструкции од процесорот. Оваа диода може да се употреби од страна на програмерот како индикатор на одредени секвенци од апликацијата која се развива. На пример, може да свети додека се читаат некои влезни параметри. 71

73 Power barrel jack) Arduino-UNO плочката користи електричен напон од AC-DC адаптер, со дозволена јачина од 7.5V до 12V еднонасочен напон. Приклучокот треба да биде во стандарден 5.5mm надворешен (outer) дијаметар и 2.1mm внатрешен (inner) отвор. Позитивниот напон е во централниот приклучок. За заштита од погрешно приклучување на централно негативен напон, самиот систем има интегриран термички осигурач. Ако осигурачот падне, самиот се ресетира после извесно време, односно за времето кое му е потребно да се излади. Power regulation circuitry На основната плочка постојат регулатори на напонот, коишто ја конвертираат повисоката волтажа во помала, според потребите на микроконтролерот. Исто така на овие пинови може да се вклучат екстерни компоненти или други плочки за проширување, кои користат напон од 5V или 3.3V. Micro USB port Micro USB port служи за конектирање на Arduiono-UNO микроконтролерот со компјутерот, преку USB портот на компјутерот. Оваа конекција е наменета да се направи вчитување на програмата којашто е напишана на компјутерот во микроконтролерот, меѓутоа исто така таа претставува и надворешно напојување на микроконтролерот, затоа што напонот кој доаѓа од USB портот од компјутерот е 5 Волти. Алтернативно во овој MicroUSB конектор е тоа што може да се приклучи надворешен уред, како маус, тастатура, или некој уред кој дирекно ќе комуницира со Arduino-UNO микроконтролерот Raspberry PI Една од помодерните технологии, која е промовирана со намена за олеснување на учењето на основните компјутерски вештини и програмирање, е платформата Raspberry PI. 72

74 Слика 29. Raspberry Pi 2 Model B Поради својата големина, наречен е уште и credit-card sized мини компјутер. Технички карактеристики Слика 30. Поважни електронски компоненти Raspberry Pi Model B+ Processor Главна компонента на Raspberry Pi е истиот процесор којшто се употребува и во мобилниот телефон iphone 3G или во Kindle2 електронскиот читач за книги. Според ова, може да се замисли колкави се можностите на еден ваков уред. Процесорот е 32-битен, со брзина 700 MHz (стандардна верзија). Базиран е на стандардна ARM11 технологија, а според цената и потребите на купувачите може да се испорачаат и модели со повеќе можности. Моделите B и B+ се со 512MB RAM меморија, додека моделот А има 256MB. Composite video & analog audio Во моделите B+, аналогните излези за аудио и видео се со стандардни 3,5мм, 4 полен конектор. Во стандардното пакување има и 4 -полен конекторски кабел, кој е со 4 - конектор пин на едниот крај, а на другиот крај завршува со 73

75 RCA конектори, именувани по Radio Corporation of America, за стерео-аудио (црвена и бела) и композитен NTSC (National Television System Committee) систем, или PAL (Phase Alternating Line) систем - аналоген видео-конектор (жолта боја). Најновиот модел има посебен конектор за видео-кабел и посебен конектор за стерео-аудио приклучок. Status LED - Статусни диоди Red PWR Оn, ако е вклучено напојувањето трепка, ако напојувањето е помало од 4,63V не свети, нема напон Ethernet Socket Left (yellow) лева жолта диода на интернет приклучокот On, при 100-Mbps конекција Off, при 10-Mbps конекција Ethernet Socket Right (green) десна зелена диода на интернет приклучокот On, ако линкот е воспоставен трепка при активности на портот Off, ако линкот не е воспоставен External USB ports - Екстерни USB портови - Моделот А има еден USB порт, моделот B има два, додека моделот B+ има 4 USB портови. За да добиете повеќе екстерни USB портови, приклучувањето на екстерни USB hub-ови побарува и поголема потрошувачка на напон во уредот. Ethernet port Моделите B и B+ имаат стандарден RJ45 Ethernet port. Моделот A нема вграден ваков порт, но може да се конектира со интернет врска преку жичена врска со USB Ethernet адаптер. HDMI connector Овој конектор овозможува дигитален излез на аудио и видео сигнал. Преку стандардни екстерни адаптери, овој сигнал може лесно да се конвертира во VGA или SCART стандард којшто го користат повеќето постари модели на монитори. Power input На прв поглед, кога ќе се види Raspberry Pi, ќе се заклучи дека нема посебен приклучок за напојување. Единствен приклучок е micro USB конекторот. Ова е направено од две причини, овој приклучок е доста евтин, а адаптери со USB приклучок лесно се наоѓаат насекаде. Важно е да се напомене дека е потребен напон од 5V и јачина од најмалку 700mA. 74

76 Слика 31. Задна страна, Micro SD слот, RAM The Secure Digital (SD) card slot Овој дел е истовремено и систем за стартување и вчитување на оперативниот систем и место за скалдирање на разни податоци. General-purpose input/output (GPIO) and other pins Моделот B+ има 2 х 20 пинови кои можат да се користат како влезно-излезни конектори на најразлични периферни уреди. The Camera Serial Interface (CSI) connector Овој порт овозможува директно приклучување на модул со камера, директно на плочата на Raspberry Pi. The Display Serial Interface (DSI) connector - Овој конектор овозможува преку 15 пински флет-рибон кабел (flat ribbon cable), да се оствари комуникација со LCD или OLED дисплеј ARPI600 Expansion Board за Raspberry Pi Arduino конекција Во проектот има потреба да се поврзат двете претходни платформи, за да може максимално да се искористат нивните перформанси, за тоа ќе ни биде потребна платформата за проширување којашто е прикажана на следната слика: Слика 32. ARPI600 75

77 Технички карактеристики: Леснa конекција со Raspberry Pi, преку еден слот Компатибилен со сите платформи од фамилијата на Arduino XBee конектор за конектирање на различни XBee модули Сензор интерфејс за конектирање на различни типови на сензори Директно на плочката USB-UART конектор за сериска комуникација за дебагирање XBee USB адаптер со можност за конфигурирање директно од плочката на различни XBee модули ADC конвертер, 10 bit, 38KSPS, 11 канали (6 канали за Arduino интерфејс, 5 канали за сензори) RTC (Real Time Clock) можност за работа на реален часовник и без напојување, овозможено со приклучок за батерија Слика 33. ARPI600 технички објаснувања Поединечни објаснувања 1. Arduino connector: за конектирање на Arduino платформи 2. ICSP interface: Arduino In-Circuit Serial Programing можност за директно програмирање на Arduino платформа 3. XBee connector: за конектор за XBee комуникациски модули 4. Sensor interface: конектори за сензори 5. Raspberry Pi connector: конектор за Raspberry Pi 6. USB TO UART адаптер 7. TLC1543: AD конвертер 8. PCF8563: Real Time Clock 9. CP виртуелен COM порт-драјвер KHz crystal: вграден осцилатор за часовникот 11. Power indicator индикатор вклучено/исклучено 76

78 12. XBee state LED статус диода за Xbee модулите 13. XBee and Arduino interface RESET button бaтонче за ресетирање 14. XBee EASYLINK button бaтонче за брз линк со Xbee модулот 15. RTC battery holder: држач за CR1220 батерија 16. TLC1543 reference voltage configuration jumper џампер за регулација на напонот 17. RTC jumper џампер за часовникот 18. UART jumper џампер за опции на UART o кога се споени P_RX и CP_TX, P_TX и CP_RX, USB TO UART е конектиран на Raspberry Pi серискиот порт o кога се споени XB_RX и CP_TX, XB_TX и CP_RX, USB TO UART е конектиран на XBee серискиот порт o кога се споени XB_RX и P_TX, XB_TX и P_RX, Raspberry Pi серискиот порт е конектиран на XBee серискиот порт 19. Arduino AD selection jumper џампер за опции на AD портовите на Arduino o споени 2 и 3 : Arduino A0-A5 се сетирани за AD влезни портови o споени 1 и 2 : Arduino A0-A5 се сетирани за дигитална контрола 20. Arduino I2C selection jumper џампер за I2C портот o споено: Arduino A4-A5 е I2C мастер контрола 21. Arduino SPI (Serial Peripheral Interface) selection jumper џампер за сериски периферен интерфејс o споени 1 и 2: Arduino портовите D11-D13 е SPI контрола o споени 2 и 3: Arduino портовите D11-D13 е дигитална контрола 77

79 5. Развој на IoT пилот апликација Интернетот на Нештата (IoT) може да се дефинира и како мрежно поврзани секојдневни објекти кои се наоѓаат насекаде околу нас. Тоа можат да бидат физички објекти со вградена електроника, сензори и модули за меѓусебна комуникација, кои овозможуваат размена на податоци. Во суштина еден мал компјутер со можност за мрежно поврзување е конектиран на нештото, овозможувајки размена на информации помеѓу сите учесници конектирани во таа мрежа. Со други зборови со помош на еден мал мрежен компјутер, може да конфигурира прифатен центар за информации, а истовремено да генерира и информативен излез, или контрола на статусот на другите уреди. Со вакви перформанси, уникатни идентификации на уредите, меѓусебно поврзани преку интернет конекција, релативно ниска цена во сооднос со перформансите кои ги имаат овие уреди, беа предизвик за авторот да го изработи проектот кој следува. Во проектот се вклучени сите уреди кои се опишани во претходното поглавје на овој труд. Мора да се напомене дека тоа се еден многу мал дел на уреди со кои може да се воспостави меѓусебна комуникација и размена на податоци, знаејки го фактот дека само во моментот на пишувањето на овој труд постојат повеке од 6 милијарди конектирани и инсталирани уреди на светско ниво. 78

80 Слика 34. Комплетен проект 79

81 Во основа овој проект е конструиран да работи со еден основен уред Raspbery-Pi, кој ќе се користи како основна платформа, да може да прибира информации од различни сензори и истите да се складираат во база на податоци, кои понатаму ќе се обработуваат или употребуваат со одреден алгоритам. Со WEB апликација која ќе биде поставена на овој уред, ќе може да се прави мониторинг на податоците кои пристигнуваат во одредени временски периоди или се веќе внесени во базата на податоци. На крај преку истата апликација ќе постои можност и за управување на одредени уреди, кои можат да се исклучуваат или уклучуваат. Важно е да се напомене дека сите овие switch команди ќе бидат испраќани безжично преку Xbee модули со протокол за безжична комуникација, преку WEB апликацијата до која ќе може да се пристапи од секој компјутер или мобилен (smart-terminal) телефон. Во проектот ќе бидат употребени: - Raspbery Pi2 B+ како основна платформа - ARPI600 Expansion Board за Raspberry Pi развојна плочка за проширување на комуникација помеѓу Raspberry Pi платформата и Xbee модулот - Relay Shield V1.3 со вграден Xbee-ZigBee адаптер - 2 Xbee S1 модули - 2 DHT11 сензори за мерење на температура и влажност на воздух - 3 nrf24l01 безжични нодови 2 трансмитери и еден трансивер - 3 Arduiono-UNO модули 5.1 Инсталирање на Apache Web Server Во прва фаза на Raspberry Pi се инсталира оперативниот систем, во конкретниот случај тоа е Raspbian официјален оперативен систем кој e поддржан од фондацијата на Raspberry Pi. Со истиот пакет се инсталираат најпотребните софтверски алатки и библиотеки, кои ќе се потребни понатаму за функционирање на проектот. Во втора фаза на Raspberry Pi платформата се инсталира Apache Web Server, апликација која ќе служи за хостирање на Web станицата која ќе управува со проектот. Apache веб серверот може да опслужува фајлови од типот на HTML (Hyper Text Markup Language). Преку HTTP (Hypertext Transfer Protocol) протокол со додатни модули сервира веб страници користејки скрипти како на пример PHP, JavaScript. Инсталирањето на Apache пакетот се прави со следната инструкција во командниот терминал: sudo apt-get install apache2 y По завршувањето на инсталацијата Apache ќе креира www фолдер и во него ќе смести тест HTML фајл. За проверка дали инсталацијата е во ред, во веб прелистувачот можеме да ја напишиме IP адресата на Raspberry Pi уредот, или едноставно да напишиме 80

82 Доколку на екранот се појави следната слика, тоа значи дека инсталацијата е успешна. Слика 35. Успешна инсталација на Apache Web Server Со ова се обезбедени сите услови за развивање на веб апликација и нејзино хостирање, односно поставување на уредот. 5.2 Инсталирање на MySQL база на податоци Доколку сакаме податоците кои ќе бидат мониторирани во проектот, во конкретниот случај температура и влажност на воздухот потребно е да инсталираме база на податоци. Откако ќе биде инсталирана локално, базата на податоци наречена MySQL, може да се поврзи со централна база на податоци Oracle Apex. Ова поврзување овозможува податоците да се разменуваат или употребуваат и од други лица или уреди. Инсталирањето е едноставно со пишување на следните инструкции во командниот едитор - терминал на Raspberry Pi: sudo apt-get update sudo apt-get install apache2 mysql-server python mysqldb php5 libapache2-mod-php5 php5 mysql -y Како што се гледа од инструкциите, со инсталирањето на MySQL се инсталираат и останатите библиотеки кои се потребни за комуникација со базата. Во текот на инсталацијата се креира лозинка со највисок приоритет за пристапување на базата. После инсталирањето, постапките за креирање на бази и табели се базираат на SQL (System Query Language), кој е составен дел на програмскиот јазик Python, инсталиран како основен пакет во оперативниот систем на Raspberry Pi. 81

83 5.3 Изработка на Web апликација Во следна фаза е изработена веб апликација, со регистриран домеин Апликацијата е основен дел од проектот, преку која ќе може да се мониторираат вредности од два температурни сензори, а притоа да може да се управува со одредени уреди. Во проектот се предвидени 4 уреди, кои ќе бидат приклучени на уредот Relay Shield V1.3 со вграден Xbee-ZigBee адаптер. Ова значи дека управувањето на уредите (вклучи-исклучи) ќе се извршува преку веб станицата која повикува одредена апликација, која е изработена во програмскиот јазик Python. Почетната страница на веб апликацијата е креирана како инфо страница, која може понатаму да послужи како страница за едукација, со постирање на слични проекти од ваков тип. Слика Командите за вклучување-исклучување ќе бидат испраќани безжично, преку АТ (ATention) команди, со кои ќе комуницираат Xbee модулите, преку протоколот. Едниот модул кој е конфигуриран како Coordinator, се наоѓа на Raspberry Pi платформата, а другиот, конфигуриран како EndDevice, се наоѓа на уредот Relay Shield. Овој уред е опремен со 4 релиња, кои имаат мирен и работен контакт. (објаснето погоре). Релињата се дирекно поврзани со пиновите DIO0, DIO1, DIO2, DIO3 кои се наоѓаат на Xbee адаптерот. Ова значи дека инструкциите во бинарна вредност 1 или 0, се испраќаат од модулот координатор, а тој ја пренесува информацијата до крајниот уред, кој исто така испраќа 1 или 0 до релињата, а тоа значи ги вклучува или исклучува. 5.4 Изработка на апликација за уредите Arduino-Uno Семплирање на сигнали од сензорите DHT11 Процесот на програмирање на Arduino-Uno платформата започнува со пишување програмски код во Arduino IDE, која е објаснета погоре. Во почетокот на кодот се вклучуваат библиотеките кои ќе се користат при работа на уредот. Тоа се библиотеки за сензорот DHT11 и нодот nrf24l01. 82

84 #include <nrf24l01.h> #include <RF24.h> #include <RF24_config.h> #include <SPI.h> #include <OneWire.h> #include <DHT.h> Се дефинира и портот каде ќе биде вклучен сензорот, во случајот тоа е дигитален пин 2, се дефинира типот на сензорот, и пиновите каде ќе бидат прочитани и испратени вредностите од сензорот. #define DHTPIN 2 // digital pin 2 #define DHTTYPE DHT11 // DHT 11 DHT dht(dhtpin, DHTTYPE); RF24 radio(7, 8); //CE na pin7, CSN na pin8 od nrf24l01+ Нодот nrf24l01 има можност за испраќање и примање на сигнали преку 6 канали, во конкретниот случај ќе дефинираме само 2 и тоа 1Node, 2Node. const uint8_t addresses[][6] = {"1Node","2Node"}; Следна фаза е сетирање на почетните вредности при старт на апликацијата. Во овој дел се кажува дека се ѕапочнува со сериска комуникација, брзина 9600 бита во секунда, на серискиот монитор пишуваме линија дека тестот за сензорот број 1 започнува, стартува читањето на сензорот, се воспоставува радио комуникација со нодот. На нодот му се задава команда да не слуша, затоа што ќе има функција да испраќа сигнал и тоа со брзина од 250kbps, а тоа ќе го прави преку отворениот канал на адреса 0, во случајот таа адреса е 1Node, како што е дефинирано во претходното објаснување. void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("DHT11-1 test!"); dht.begin(); radio.begin(); radio.stoplistening(); radio.setdatarate(rf24_250kbps); radio.openwritingpipe(addresses[0]); } После ова следува извршниот код, кој ќе биди во постојана loop функција, а тоа значи читање на вредноси од сензорот и испраќање преку радио модулот во интервали на секои 5-10 минути. void loop() { float hum1 = dht.readhumidity(); float temp1 = dht.readtemperature(); 83

85 if (isnan(hum1) isnan(temp1)) { Serial.println("Failed to read from DHT sensor!"); return; } Serial.print("Humidity: "); Serial.print(hum1); Serial.print(" %\t"); Serial.print("Temperature: "); Serial.print(temp1); Serial.print(" *C "); radio.stoplistening(); radio.write(&temp1, sizeof(temp1)); radio.write(&hum1, sizeof(hum1)); Serial.println(""); delay(300000); } Испраќање на примените вредности од сензорите преку nrf24l01 Слика 37. Arduino код за примање на сигналите Откако кодот ќе биде вчитан во Ардуино-то, како што е прикажано на сликата погоре, ќе добиеме порака Done uploading. Потоа се стартува серискиот монитор да провериме дали кодот и реално се извршува. Во серискиот монитор може да ги видиме резултатите од сезорот, како што е прикажано на сликата подолу. 84

86 Слика 38. Тестирање на DHT11-1 сензор Истата постапка ја повторуваме и со вториот нод, DHT-11 сензор и Arduino-UNO и проверуваме преку серискиот монитор дали кодот се извршува. Слика 39. тестирање на DHT11-2 сензор Примање на вредностите во збирен нод во Arduino-UNO Следна постапка е програмирање на 3-то Arduino-UNO со нод nrf24l01 кој ќе ги собира податоците, од нодовите 1 и 2, односно од сензорите 1 и 2. Во овој код ги вклучуваме само библиотеките кои ни се потребни да ги слушаат каналите на нодот. Се дефинираат и адресите, со напомена дека мора да бидат исти како и во претходните две апликации кои се вчитаа во уредите кои ги испраќаат вредностите. Дефинирањето на на сите параметри е прикажано во текстот кој следува. #include <SPI.h> #include <nrf24l01.h> #include <RF24.h> RF24 radio(7, 8); //CE na pin7, CSN na pin8 od nrf24l01+ float temp, hum; const uint8_t addresses[][6] = {"1Node","2Node"}; uint8_t pipenum; 85

87 void setup(){ Serial.begin(9600); radio.begin(); radio.setdatarate(rf24_250kbps); radio.openreadingpipe(1,addresses[0]); radio.openreadingpipe(2,addresses[1]); radio.startlistening(); } Во кодот може да се види дека се отвараат каналите за слуѓање на уредите и тоа првиот канал на адреса (1,addresses[0]) и вториот канал на адреса (1,addresses[0]). Следува loop функцијата, која наизменично ќе ги слуша двата нода кои испраќаат сигнал. void loop(){ if (radio.available(&pipenum)) { delay (50); radio.read(&temp, sizeof(temp)); radio.read(&hum, sizeof(hum)); Serial.print("NODE-"); Serial.print(pipenum); Serial.print(" Temperatura "); Serial.print(temp); Serial.print("*C "); Serial.print("Vlaznost "); Serial.print(hum); Serial.print("%"); Serial.println(""); } } За проверка на кодот се повторува постапката со повикување на серискиот монитор од апликацијата, каде се добива следниот резултат со вредностите од двата сензори. Слика 40. Тестирање на двата сензори, преку Arduiono-UNO и збирниот нод nrf24l01 Сериска комуникација на Arduino-UNO и Raspberry Pi 86

88 Поврзувањето на Arduino-UNO и Raspberry Pi е преку USB кабел во еден од портовите на Raspberry Pi модулот. За читање на податоците кои ги прима Arduino-то изработена е апликација во програмски јазик Python. Слика 41. Python код, за примање на податоци од Arduiono-UNO Од кодот може да се забележи дека Raspberry Pi секои 10 минути, го слуша портот ttyacm0, со брзина од 9600 бауди во секунда и доколку добие податок истиот да ги прикажи во принт формат. Резултатот од извршувањето на овој програм изгледа како на следната слика. Слика 42. Извршување на Python кодот, податоци од Arduiono-UNO Контрола на Relay Shield од преку Raspberry Pi и Xbee модулите Проектот е замислен да може преку апликација да се контролираат одредени уреди, односно да се вклучуваат или исклучуваат. За овој последен дел на проектот е изработена уште една апликација во програмскиот јазик Python, која преку веб порталот ќе испраќа сигнал на Xbee-Coordinator, кој се наоѓа на Raspberry Pi уредот. Овој сигнал ќе биде примен од Xbee-EndDevice, кој се наоѓа на Relay Shield. Апликацијата може да се објасни во 3 дела. 87

89 Во првиот дел се вчитуваат сите библиотеки кои се потребни да работи апликацијата, како што е прикажано на следната слика. Слика 43. Python код, дефинирање на параметри Во овој дел на кодот, го дефинираме портот преку кој ќе се одвива безжичната комуникација во случајот тоа е ttyama0. Следно ги дефинираме адресите на Xbee уредите, за кординаторот и крајниот уред. Исто така дефинираме и два параметри doseton и dosetoff. Овие параметри ни се потребни за да го следиме статусот на батонче на веб порталот, односно дали батончето е притиснато или не. Слика 44. Python код, алгоритам за сетирање на вредности на параметрите 88

90 Во вториот дел на кодот, се извршува алгоритамот, во кој се проверува кое батонче е притиснато, а откако некое батонче ќе биди притиснато од веб порталот, се проверува, ако е веќе вклучено, во следна фаза треба да се исклучи и обратно. Третата фаза од кодот, е извршната фаза со која се испраќа командата за извршување преку Xbee-Coordinator модулот до Xbee-EndDevice модулот, кој се наоѓа на Relay Shield. Ова значи дека по извршувањето на овој дел од кодот, одредено реле ќе се вклучи или исклучи, односно тоа реле ќе вклучи одреден апарат или исклучи. Следува пауза од неколку секунди, во кој дел апликацијата враќа одговор response, за да се осигураме дека акцијата која е повикана од апликацијата, вклучи-исклучи е комплетирана. Последниот дел од кодот е прикажан на следната слика. Слика 45. Python код, испраќање на команда за вклучи-исклучи преку Xbee модулот Крајниот резултат, во кој можеме истовремено да ги следиме податоците од сензорите, за моменталната температура и влажност, измерена на две различни позиции и пренесена преку безжичен нод на долниот текст-бокс од веб порталот. Истовремено преку безжичен сигнал можеме и да управуваме со 4 уреди, кои можеме да ги вклучуваме или исклучуваме. 89

91 Слика 46. Веб портал со податоци од два безжични нодови, и вклучени два уреди МОТОР 1 и ВЕНТИЛ 1 90