AKVIZICIJA PODATAKA SA MERNIH PRETVARAČA UZ PRIMENU ZIGBIT BEŽIČNIH MODULA* DATA ACQUISITION FROM MEASUREMENT TRANSDUCERS WITH THE APPLICATION OF ZIGBIT WIRELESS MODULES Platon Sovilj 1, Nenad Čabrilo 1, Siniša Nikolić 1, Valentin Penca 1, Zoran Lukić 1 1 Fakultet tehničkih nauka u Novom Sadu Sadržaj U ovom radu je prikazan implementirani mernoakvizicioni sistem namenjen akviziciji podataka sa analognih i digitalnih mernih pretvarača. U implementiranom sistemu su korišćeni ZigBit bežični moduli čije funkcionisanje je zasnovano na ZigBee standardu. Prikazani sistem može da se primenjuje u raznim vrstama merenja, kao što su npr. merenja parametara životne sredine ili merenja u elektroenergetskim distributivnim mrežama. Abstract This paper presents an implemented system designed for measurement and acquisition of data from analog and digital measurement transducers. ZigBit wireless modules, which functioning is based on ZigBee standard, are used in the implemented system. The presented system can be applied in various types of mesaurements, like e.g. measurements of environmental parameters or measurements in electrical grid. 1. UVOD Savremena merenja se često baziraju na pretvaranju fizikalnih veličina u električni signal. Pojačanje i obrada tog električnog signala, prenos na daljinu kao i očitavanje rezultata su vremenom usavršavani. To pretvaranje fizikalnih veličina u električni signal vrši se pomoću različitih pretvarača za koje se u novije vreme ustalio termin senzor[1]. U ovom radu se često koristiti opštiji naziv merni pretvarač, koji obuhvata širu klasu merenja električnih i neelektričnih veličina. Uloga pretvarača se često svodi na pretvaranje jedne električne veličine i vrednosti u drugu električnu veličinu i vrednost koja je pogodnija za direktno merenje. Primeri ovoga se mogu naći npr. u merenju napona u distributivnim elektroenergetskim mrežama, ili u merenju koncentracije gasova. Ulazak mikroprocesorske tehnologije u proizvodnju mernih pretvarača omogućio je veću funkcionalnost, kao što je mogućnost ugradnje inteligentne i digitalne komunikacije u pretvarače. Tradicionalno, izlazi iz senzora su analogni signali koji se dalje vode u neki instrumentacioni sistem ili se direktno prikazuju (npr. na nekom displeju), a prebacivanje senzora iz analognog u digitalni domen je donelo bitne prednosti za korisnike. Npr. digitalni senzori su mnogo otporniji na električne šumove i mogu znatno da uproste svoje šeme povezivanja. Proizvođači inteligentnih senzora se trude da naprave inteligentne senzore koji malo koštaju, a mogu da zadovolje potrebe sve složenijih aplikacija i da se pritom njima lako rukuje[2]. Pod merno-akvizicionim sistemom, za potrebe ovog rada, se može podrazumevati elektronski instrument, ili grupa međusobno povezanih elektronskih hardverskih komponenti, namenjenih za merenje i kvantizaciju analognih signala i prihvatanje digitalnih podataka, u cilju dalje analize ili obrade. Kod digitalnih merno-akvizicionih sistema, pretvarači mogu biti i digitalni i analogni. U slučaju digitalnih mernih pretvarača, digitalna informacija o merenoj veličini se obično prenosi do mikroprocesorskog sistema u čijem jezgru su mikrokontroler ili DSP procesor. Mikroprocesorski sistem dalje šalje informacije ka računaru gde se podaci obrađuju, skladište i prezentuju. U slučaju analognih pretvarača, merno-akvizicioni lanac je praktično identičan. Razlika je što mikroprocesorski sistem sadrži i analogno-digitalni konvertor ili se upotrebljavaju mikrokontroleri ili DSP procesori sa integrisanim A/D konvertorom. A/D konvertor je neophodan za pretvaranje analognog signala pretvarača u digitalni oblik. U zavisnosti od vrste i snage izlaza pretvarača, u svrhu potrebe prilagođavanja merenog signala ulazu A/D konvertora, često se koriste i elektronska kola za kondicioniranje signala (tzv. kondicioneri signala)[3]. *Ovaj rad je deo istraživanja na projektu Merenje u konceptu pametne distributivne mreže, evidencioni broj: TR32019 koji finansira Ministarstvo za nauku i tehnološki razvoj Republike Srbije.
Slika 1. Elementi implementiranog merno-akvizicionog sistema Prethodno opisani digitalni merno-akvizicioni sistem je pogodan za lokalna merenja. Međutim, sa razvojem komunikacionih i računarskih tehnologija, ovakvi sistemi su proširili svoju primenu i na udaljena, odnosno distribuirana merenja. U tom smislu, između pomenutog mikroprocesorskog sistema i računara može postojati čitav niz različitih mrežnih struktura, koji ima svrhu postizanja udaljenog i/ili distribuiranog merenja. ZigBee je bežični komunikacioni protokol utemeljen na standardu IEEE 802.15.4-2003. IEEE 802.15.4 je definisao fizički i MAC sloj OSI referentnog modela bežičnih mreža malog protoka LR WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network), a ZigBee se nadovezao na ovaj standard tako što su u njemu definisani preostali slojevi - sve do sloja aplikacije. Ciljane primene ZigBee-a su aplikacije koje zahtevaju umrežavanje velikog broja uređaja, prenos male količine podataka, malu potrošnju energije te visoku sigurnost prenosa[4]. 2. IMPLEMENTIRANI MERNO-AKVIZICIONI SISTEM Implementirani merno-akvizicioni sistem (prikazan na slici 1) se sastoji od: udaljenog mikroprocesorskog sistema za merenje sa ZigBit komunikacionim modulom koji ima funkciju transmitera (naziv ZigBit je dat od strane proizvođača Meshnetics), lokalnog mikroprocesorskog sistema sa ZigBit modulom koji ima funkciju bazne stanice (pristupne tačke, receivera) i PC računara sa odgovarajućim softverom za prijem i obradu signala poslatog od strane transmitera. Transmiter je povezan sa modulom koji je opremljen sa nekoliko mernih pretvarača, i to sa digitalnim temperaturnim senzorom DS1820, mernim pretvaračkim podmodulom za merenje koncentracije kiseonika i metana zasnovanom na senzorima KE-50 i TGS2611-E00, i pretvaračem za merenje intenziteta svetlosti (TSL230BR). Komunikacija između transmitera i bazne stanice odvija se po ZigBee protokolu koristeći ZigBit bežične module koji podržavaju ovu komunikaciju. Oba podsistema (transmiter i bazna stanica) implementirana su sa 8-bitnim PIC 18F8520 mikrokontrolerom, a razvoj firmvera za mikrokontrolere je urađen pomoću Mikroelektronikinog razvojnog okruženja MikroC. Pristupna tačka komunicira sa personalnim računarom preko RS232 konekcije (serijskog protokola), a PC aplikacija koja vrši akviziciju, obradu i prikaz podataka je razvijena pomoću programskog paketa LabVIEW 7.1. 3. MODUL MERNIH PRETVARAČA Upotrebljeni su sledeći merni pretvarači: digitalni temperaturni senzor DS1820, merni pretvarački podmodul za merenje koncentracije kiseonika i metana zasnovan na senzorima KE-50 i TGS2611-E00, i pretvarač za merenje intenziteta svetlosti (TSL230BR). U ovom radu smo detaljnije prikazali pretvarački podmodul za merenje koncentracije gasova koji sadrži senzore za merenje koncentracije kiseonika (KE-50) i metana (TGS2611), odgovarajuće pojačavačko elektronsko kolo za kondicioniranje analognog signala ovih senzora, napajanje i regulator napona (Slika 2). TGS2611 je poluprovodnički gasni senzor koji ima veoma visoku osetljivost na metan, nisku potrošnju i dug radni vek. Zahteva struju grejača od 56 ma i smešten je u standardno TO-5 kućište (Slika 3). TGS2611 je dostupan u dva različita modela (TGS2611-C00 i TGS2611-E00 ) koji imaju
različita eksterna kućišta, ali su identično osetljivi na metan. TGS2611-C00 je male veličine i ima brz odziv, što ga čini pogodnim za kontrolu curenja gasa. TGS2611-E00 koristi filtrajuće materijale u svom kućištu koji eliminišu uticaj interferentnih gasova, kao što je alkohol, što dovodi do poboljšane selektivnosti odziva na metan. Ova osobina čini senzor pogodnim za detektore curenja gasa koji zahtevaju izdržljivost i otpornost na interferentne gasove[5]. primene su biohemija, medicina, industrija hrane, praćenje sagorevanja gasa itd[6]. Slika 2. Blok šema pretvaračkog podmodula za merenje koncentracije kiseonika i metana Senzor za kiseonik iz serije KE-50 (Slika 3) je tip senzora sa galvanskim gorivnim ćelijama. Generiše jednosmeran električni izlazni napon, slično kao i baterije. Njegova najveća prednost je dug životni vek (do 10 godina u vazduhu), dobra hemijska postojanost i to što nije osetljiv na CO 2. Takođe, jeftin je, ima stabilan signal i ne zahteva eksterno napajanje. KE serija senzora kiseonika je idealna da zadovolji sve veću potražnju za merenjem koncentracije kiseonika u različitim oblastima primene. Njegove oblasti Slika 3. Senzor KE-50 (levo) i senzor TGS2611 (desno) povezani na pojačavački stepen. Pojačavački stepen je realizovan korišćenjem instrumentacionog pojačavača AD623 (Slika 4). AD623 omogućava pojačanje signala od 1 do 1000 puta. Pojačanje se podešava eksternim otpornikom (R G ) koji se povezuje između pinova 1 i 8 (Slika 4). Upotrebljen je promenljivi otpornik od 10 KΩ čime je omogućeno pojačanje i do 10 puta. Pojačanje se računa po formuli[7]:, (1) Slika 4. Električna šema pojačavačkog stepena i regulatora napajanja.
4. PREDAJNI I PRIJEMNI MIKROPROCESORSKI SISTEM pločici pod kodnim imenom EasyBee[11] (proizvođača Mikroelektronika). Oba mikroprocesorska sistema (predajni i prijemni) implementirana su sa 8-bitnim PIC18F8520 mikrokontrolerom, pri čemu je iskorištena razvojna platforma BigPic5[8] (proizvođača Mikroelektronika) koja u svom jezgru sadrži upravo PIC18F8520. Razvoj firmvera za mikrokontrolere je urađen u integrisanom razvojnom okruženju MikroC. Mikrokontroler PIC18F8520 ima u sebi integrisani A/D konvertor[9] i predviđeno je da se na njegov ulaz dovodi napon ne veći od 5 V (Slika 5). Ovaj A/D konvertor konvertuje analogni napon u 10-bitnu digitalnu brojnu vrijednost. Na A/D konvertorske ulaze mikrokontrolera su povezani izlazi pretvaračkog podmodula za merenje koncentracije kiseonika i metana. Slika 5. A/D konvertor unutar mikrokontrolera PIC18F8520 je preko pinova RA0-RA3 povezan sa pretvaračkim podmodulom za merenje koncentracije gasova. Deo firmvera za očitavanje koncentracije gasova je napisan tako da se očitavanja napona sa izlaza pretvarača vrši svake 2 sekunde. Ako je došlo do promene napona na izlazu u odnosu na prethodno očitanu vrednost, UART serijskim protokolom se šalju AT komande ka ZigBit modulu koji je povezan na port D mikrokontrolera. Čitanje vrednosti napona na drugom kanalu A/D konvertora, koji odgovara kiseoničkom senzoru dato je u sledećem kodu:... adc_rd_ch2 = ADC_Read(2);// uzimanje vrednosti sa 2. kanala A/D konvertora IntToStr(adc_rd_ch2, txt1);//konverzija u string res_adc_ch2 = rtrim(txt1);//trimovanje praznih mesta u stringu if(old_adc_ch2!= adc_rd_ch2){// ako je došlo do promene vrednosti sa kiseoničkog senzora UART1_Write_Text("ATD 55");// AT komanda za slanje podataka UART1_Write(13);// CR Delay_ms(1000); UART1_Write_Text("O");// indikator bajta "O" = kiseonik UART1_Write_Text(res_adc_ch2);// slanje rezultata UART1_Write(13); // CR Delay_ms(1000); old_adc_ch2 = adc_rd_ch2;// ažuriranje prethodne vrednosti... Osnovni deo primenjenog ZigBit modula je ZDM-A1281- A2 čip[10]. Pored njega modul sadrži dva integrisana kola 74LVCC3245 čija je namena da prilagode naponske nivoe. Kako bi se obezbedio napon od 3.3 V za napajanje čipa na modulu se nalazi i MC33269DT-3.3 stabilizator. Na slici 6 možete videti izgled modula realizovanog na štampanoj Slika 6. ZigBit modul je sa desne strane povezan na razvojnu ploču sa prijemnim mikrokontrolerom. Sa gornje strane razvojne ploče, USB konekcija služi za napajanje i programiranje prijemnog sistema, a RS232 konekcija za prenos podataka ka računaru. Ključne karakteristike čipa ZDM-A1281-A2 su[10]: Balansirana dvostruka antena koja daje pojačanje od 0 dbi. Velika RX osetljivost (-101 dbm). Do 3 dbm izlazne snage. Mala potrošnja energije (manja od 6 μa u režimu dubokog sna). Memorijski resursi (128KB fleš memorije, 8KB RAM i 4KB EEPROM memorije ). Fizičke dimenzije su 24 mm x 13.5 mm. Mogućnost upisa proizvoljne MAC adrese u EEPROM memoriju.
Širok spektar podržanih interfejsa za komunikaciju sa okolinom. 10 GPIO (General Purpose Input/Output) konekcija. 4 ADC linije. UART sa CTS/RTS kontrolom. I 2 C, USART/SPI. Identičan ZigBit modul je primenjen i u prijemnom i u predajnom mikroprocesorskom sistemu. Komunikacija između mikrokontrolera i ZigBit modula ostvarena je pomoću serijske komunikacije. Prijemni mikroprocesorski sistem (pristupna tačka) komunicira sa personalnim računarom preko RS232 konekcije i serijskog protokola. Firmver mikrokontrolera prijemnika je struktuiran tako da se u prvom delu, nakon potrebnih inicijalizacija, podaci primaju od ZigBit modula (koji zapravo prosleđuje podatke sa predajnika). S obzirom da podaci dobijeni od predajnika predstavljaju karakternu reprezentaciju merenog rezultata, potrebno je podatke konvertovati u odgovarajuće brojne vrednosti. Prvi bajt predstavlja indikator merene veličine (npr. u slučaju merenje intenziteta svetlosti u pitanju je ASCII karakter "L" kome odgovara decimalna vrednost 76). Preostali bajti predstavljaju karakternu reprezentaciju cifara mernog podatka poslatog od strane transmitera, pa se u okviru if upita svaki ponaosob konvertuje u odgovarajuću brojnu vrednost, množi sa odgovarajućim stepenom desetke (u zavisnosti od težinske pozicije koju ima: 1, 10, 100, 1000 itd.) i sabira sa ostatkom cifara, tako formirajući konačan merni rezultat. 5. AKVIZICIJSKI SOFTVER PC softverska aplikacija za akviziciju, obradu i prikaz dobijenih podataka je virtuelni instrument razvijen u programskom paketu National Instruments LabVIEW 7.1[12]. Aplikacija se može pokrenuti kao odgovarajući virtualni instument kroz LabVIEW 7.1 softverski paket ili kao samostalna exe aplikaciju. Moguće je konfigurisati parametre za RS232 komunikaciju, kalibraciju merenja O2 i metana, iako se pri pokretanju programa učitavaju podrazumevane vrednosti pomenutih parametara. Polja Izlazni napon senzora i koncentracija O2 (Slika 7) predstavljaju kalibracionu tačku na osnovu koje se određuje koeficijent nabiga prenosne funkcije senzora KE-50. Faktor pojačanja je parametar koji se odnosi na pojačanje korišćenog pretvaračkog kondicionera. Vc je parametar koji označava napon napajanja senzora TGS2611, R 0 je otpornost ovog senzora na 5000 ppm metana u vazduhu, R l - otpornost pomoćnog otpornika i k je koeficijent nagiba prenosne funkcije. Ovi parametru potrebni za kalkulaciju koncetracije metana u vazduhu, koja se izračunava na osnovu formule naponskog razdelnika date u specifikaciji senzora. Virtuelni instrument u prvom segmentu blok dijagrama ima implementiran VISA drajver za serijsku komunikaciju, sa odgovarajućim poljima neophodnim za podešavanje parametara serijske komunikacije. Ukoliko na portu postoji neki podatak ulazi se u glavnu petlju programa, a u suprotnom se čeka a nakon dve sekunde ponavlja provera postojanja podatka. Unutar petlje, čitaju se očekivana tri bajta sa porta i vrši se dalji postupak obrade podataka u zavisnosti od vrednosti prvog bajta. Na kraju mernoakvizicione sesije, port se zatvara da bi bio dostupan za ostale aplikacije. 6. EKSPERIMENTALNI REZULTATI Pri temperaturi od 24 C, u uobičajenim ambijentalnim uslovima (približno 21% koncentracija oksigena) izlazni napon mernog pretvarača (kondicionirani napon kiseoničkog senzora KE-50) iznosi Vout=0.80V. To znači da se zbog linearnosti senzora i pretvarača, koncentracija kiseonika u procentima određuje na osnovu merenog napona Vout na sledeći način: p = (21/0.8)*Vout = 26.25*Vout [%] (2) Polazeći od datih pretpostavki, na grafikonu na slici 8 su dati rezultati merenja koncentracije kiseonika u Laboratoriji za električna merenja FTN u Novom Sadu. Treba reći da je, za tačnija merenja, potrebno uraditi kalibraciju senzora i to prilagođeno stepenu tačnosti koji se želi postići. Slika 7. Deo front panela virtuelnog instrumenta, sa poljima za podešavanje i indikatorima koncentracije gasova.
Eksperimentalni rezultati prikazuju merenja koncentracije kiseonika zasnovanu na kataloškim kalibracionim podacima o senzoru KE-50. Za tumačenje naponskog izlaza pretvaračkog dela za merenje koncentracije metana neophodno je uraditi kalibraciju senzora TGS2611. Slika 8. Eksperimentalni rezultati merenja koncentracije kiseonika u vremenskom intervalu od 20 minuta. Kod upotrebe senzora za metan TGS2611 potrebno je pri kalibraciji pretvarača odrediti Ro iz kataloga senzora. To bi se uradilo u komorama za kalibraciju u kojim se može ostvariti koncentracija metana od 5000 ppm. Merenja se pokazala da u uobičajenim ambijentalnim uslovima pomenute laboratorije, izlaz pretvarača iznosi približno 1.05V. Kod ovog senzora dodatni problem je dodatna promena otpornosti senzora kada se u mernoj oblasti nalazi i vodonik. To znači da tačna merenja koncentracije metana nije moguće uraditi bez adekvatnog filtera koji bi potisnuo uticaj koncentracije vodonika na otpornost senzora. 7. ZAKLJUČAK U radu su prikazani osnovni principi funkcionisanja mernih pretvarača. Istaknuta je i struktura merno-akvizicionih sistema, kao i osnovne osobine ZigBee protokola za bežičnu komunikaciju. Opisana je blok šema implementiranog merno-akvizicioni sistem za merenje koncentracije gasova, temperature i intenziteta osvetljenosti. U modulu mernih pretvarača je prikazan pretvarački podmodul za merenje koncentracije gasova koji sadrži senzore za merenje koncentracije kiseonika (KE-50) i metana (TGS2611), odgovarajuće pojačavačko elektronsko kolo za kondicioniranje analognog signala ovih senzora, napajanje i regulator napona. Predajni i prijemni mikroprocesorski sistemi implementirani su sa 8-bitnim PIC18F8520 mikrokontrolerom, a odgovarajući firmvera je razvijen u integrisanom razvojnom okruženju MikroC. ZigBit moduli, za komunikaciju po ZigBee standardu, su bazirani na ZDM- A1281-A2 čipu kog karakteriše balansirana dvostruka antena i veoma mala potrošnja energije. U radu su prikazani osnovni podaci o strukturi hardvera i firmvera mikroprocesorskih sistema. PC softverska aplikacija za akviziciju, obradu i prikaz dobijenih podataka je urađena kao virtuelni instrument razvijen u programskom paketu National Instruments LabVIEW 7.1. Implementirani merno-akvizicioni sistem predstavlja pogodnu razvojnu ili edukacionu platformu. Za dalji razvoj, predlaže se, u prvom redu, realizacija proširene mreže koja bi sadržala veći broj predajnih mikroprocesorskih sistema. Potom, bilo bi potrebno uraditi detaljniju analizu ekonomičnosti energetske potrošnje implementiranih mernih pretvarača i mikrokontrolera, kao i analizu alternativnih komponenti i konfiguracija za merne pretvarače i mikrokontrolere upravo iz perspektive ekonomičnosti energetske potrošnje. Kod specifičnih implementacija, potrebno je podesiti vremenske varijable firmvera i PC aplikacije u skladu sa minimalnim zahtevima implementacije za učestanošću merenja. U nekim primenama kombinacija udaljenosti i konfiguracije prostora između prijemnika i predajnika može biti teško premostiv problem sa modulima baziranim na ZigBee standardu, i u tom slučaju predlažemo zamenu postojećih ZigBit modula sa modulima baziranim na GSM/GPRS tehnologiji. LITERATURA [1] J. Fraden, Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, Springer-Verlag New York. Inc., 2004, ISBN 0-387-00750-4. [2] M. Popović, Senzori i merenja, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Srpsko Sarajevo, 2004. [3] Practical design techniques for sensor signal conditioning, Published by Analog Devices, Inc., 1999, ISBN-0-916550-20-6. [4] ZigBee, http://www.zigbee.org [5] TGS2611 for the detection of Methane, Product information, Figaro engineering, rev 02/05. [6] KE-50 GS Oxygen Sensors, Product information, Figaro engineering, rev 08/03. [7] AD623 Instrumentation Amplifier, Datasheet, Analog devices, 1999. [8] BIGPIC5 Development System, http://www.mikroe.com/eng/products/view/2/bigpic5- development-system/ [9] PIC18F8520, http://www.microchip.com/wwwproducts/devices.aspx?dd ocname=en010319 [10] ZigBit OEM Modules, download.maritex.com.pl/pdfs/wi/zigbit.pdf [11] EasyBee Board User Manual, www.mikroe.com/eng/downloads/get/1333/easybee_manual _v100.pdf [12] LabVIEW 7.1 Documentation Resources - National Instruments, http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/06572e936282c0e486 256EB0006B70B4