Розроблення системи керування віддаленими об’єктами

1. Встановити спеціальну програму на комп'ютер, який буде керованим. Ця програма дозволяє захистити дані, забезпечити конфіденційність обміну інформацією, а також правильність і надійність авторизації. Управляти своїм комп'ютером може лише власник, а інформація буде надійно захищена.

2. Залишити керований комп'ютер включеним і під'єднаним до мережі для віддаленого керування комп'ютером. Це цілком нормальний стан для сервера, але психологічно незвичний для домашнього комп'ютера. Згодом, його можна вимкнути у будь-який час, використовуючи віддалене керування.

3. Використати програму або мережевий сервіс на комп'ютері, з якого буде здійснено доступ. Технічно можливим є під'єднання з Інтернет-клубу, з нетбука або з мобільного телефону.

мобільний робот віддалений комп'ютер

1.2 Програми віддаленого керування персональним комп'ютером

Для передачі команд адміністрування та виведення екрану використовуються протоколи віддаленого адміністрування: RDP, VNC, X11, Telnet, Rlogin, RFB, ARD, ICA, ALP і власні. Для шифрування трафіку в програмах віддаленого адміністрування використовуються протоколи SSH, SSL, TLS і ін.

Існує безліч реалізацій програм віддаленого керування. Всі реалізації відрізняються інтерфейсами і використовуваними протоколами. Інтерфейс може бути візуальний або консольний. Одними з найбільш популярних і поширених програм є, наприклад, компонент Windows Remote Desktop Services з клієнтом Remote Desktop Connection, Radmin, DameWare, PuTTy, VNC, UltraVNC, Apple Remote Desktop, Hamachi, TeamViewer, Remote Office Manager, Ammyy Admin та ін.

Remote Desktop Protocol -- протокол прикладного рівня, що використовується для забезпечення віддаленої роботи користувача із сервером, на котрому запущений сервіс термінальних з'єднань. Клієнти існують практично для всіх версій Windows (включаючи Windows CE таMobile), Linux, FreeBSD, Mac OS X. За замовчанням, використовується порт TCP 3389. Офіційна назва Майкрософт для клієнтського ПЗ -- Remote Desktop Connection або Terminal Services Client.

Особливості:

· Підтримка 32-бітного кольору (в додаток до 8-, 15-, 16- і 24-бітному в попередніх версіях)

· 128-бітове кодування, використовуючи алгоритм кодування RC4.

· Підтримка Transport Layer Security.

· Звук із віддаленого ПК переадресовується і відтворюється на локальному комп'ютері.

· Дозволяє під'єднувати локальні ресурси до віддаленої машини.

· Дозволяє використовувати локальний або мережевий принтери на віддаленому ПК

· Дозволяє додаткам, що виконуються в межах поточного сеансу звертатися до локальних послідовних і паралельних портів.

· Можна обмінюватися інформацією через буфер обміну.

У Windows Server 2008 та Windows Vista використовується нова версія протокола, RDP 6.

Microsoft позбавило користувачів можливості підключатись за допомогою RDP до "домашніх" (Home) випусків Windows, починаючи з XP. Тому, для цих випусків користувачі змушені використовувати сторонні програми керування віддаленими стільницями, багато з яких використовують відкритий протокол Virtual Network Computing (VNC), або свій особистий протокол. Слід зауважити, що можливість підключатись до робочих станцій, що запущені під керуванням Home версій Windows фізично залишилась, Microsoft просто внесла незначні зміни в системну бібліотеку termsrv.dll, після чого підключення до робочих станцій стало неможливим. В інтернеті існують неофіційні програми, які це виправляють.

Radmin (Remote Administrator) -- умовно безкоштовна програма віддаленого адміністрування персонального комп'ютера для платформи Microsoft Windows, яка дозволяє повноцінно працювати на декількох віддалених комп'ютерах за допомогою графічного інтерфейсу. Крім цього, програма дозволяє передавати файли і використовувати режим голосового або текстового спілкування з користувачем віддаленого комп'ютера.

Radmin складається з 2х частин: клієнтської (Radmin Viewer) і серверної (Radmin Server).

IT-фахівець встановлює серверну частину Radmin на віддаленому комп'ютері, вказує пароль і можливість запуску програми як сервісу. Після перезавантаження цього комп'ютера він отримує можливість бачити екран цього віддаленого комп'ютера у вікні або на повному екрані свого комп'ютера. Маніпуляції мишею або клавіатурою передаються на віддалений комп'ютер. Таким чином, IT-фахівець може працювати за віддаленим комп'ютером так, як ніби він знаходиться прямо перед ним. На комп'ютері IT-фахівця потрібно встановити безкоштовну клієнтську частину Radmin Viewer.

Віддалений комп'ютер може розташовуватися в Інтернеті або в локальній мережі. Програма дозволяє налаштовувати якість переданої картинки, що дозволяє використовувати її навіть при низькій швидкості з'єднання. Вона також показує екран віддаленого комп'ютера навіть під час всього процесу його перезавантаження.

Програма дозволяє підключатися до віддаленого комп'ютера в різних режимах:

· керування;

· перегляд;

· передавання файлів;

· виключення;

· текстовий чат;

· голосовий чат;

· текстове повідомлення.

Radmin Viewer 3.3 і вище підтримує технологію Intel AMT, яка надає можливість з'єднання з комп'ютером і можливість часткового керування ним без завантаження операційної системи.

У Radmin 3.x реалізовані наступні функції безпеки:

· Надійний захист всіх переданих даних за стандартом AES.

· Можливість використовувати систему безпеки Windows або власну систему безпеки Radmin.

· Система безпеки Windows дозволяє обмежувати віддалений доступ для окремих користувачів або груп користувачів, включаючи користувачів локальних комп'ютерів, первинних і довірених доменів або Active Directory. Підтримує автоматичну перевірку прав доступу користувача і протокол Kerberos.

· Використання системи безпеки Radmin дозволяє задавати різні права доступу для кожного користувача окремо.

· Таблиці IP-фільтрації дозволяють дозволити доступ тільки для певних хостів та підмереж.

· Запис в лог-файл імені користувача і DNS розшифровки його адреси.

· Інтелектуальний захист від вгадування і перебору паролів.

Для установки Radmin Server 3.x необхідні права адміністратора.

Відомі випадки, коли Radmin застосовувався зловмисниками для віддаленого керування комп'ютерами жертв. У деяких збіркахWindows XP з вбудованим ПЗ, був вбудований Radmin Server.

Зловмисники організовують так звані «рейди», в ході яких відбувається отримання доступу до комп'ютерів жертв за допомогою брутфорса, а після отримання доступу з комп'ютером відбуваються різні дії - від безневинної зміни шпалер робочого столу до крадіжки паролів від інтернет-гаманців, акаунтів в соціальних мережах, і повного знищення даних на жорсткому диску персонального компютера.

Ammyy Admin -- система віддаленого доступу та адміністрування, розроблена компанією Ammyy Group. Дозволяє контролювати клавіатуру і мишу, запускати програми, передавати файли.

Ammyy Admin працює крізь NAT і не потребує зовнішніх IP адрес, встановлення додаткового ПЗ та налаштування переадресації портів. Усі дані, що передаються, шифруються за допомогою алгоритму Advanced Encryption Standard (AES) з різними ключами для кожної сесії. Ammyy Admin повністю сумісна з VNC, Terminal Server та іншими програмами віддаленого доступу.

Можливості системи:

· Не потрібна установка програми.

· Не потрібне переналаштування мережевих екранів і Firewall.

· Опція тільки для перегляду.

· Конфігурування прав на основі computer ID.

· Сумісна з існуючими програмами віддаленого доступу: VNC, Terminal Server та іншими.

· Підтримка Microsoft Remote Desktop Protocol (RDP).

· Може працювати як системний сервіс.

· Дозволяє віддалене перезавантаження, вхід в систему, вихід, зміну користувачів.

· передавання файлів.

· Голосовий (аудіо) чат.

В Ammyy Admin реалізовані такі функції безпеки:

· Всі дані шифруються за стандартом AES, і використовуються різні ключі для кожної сесії.

· Не відкриваються порти на локальному і віддаленому комп'ютері.

· Захист від атак перебору паролів (брутфорсу).

TeamViewer -- пакет програмного забезпечення для віддаленого контролю комп'ютерів, обміну файлами між керуючою та керованою машинами. TeamViewer працює на операційних системах Windows, Mac OS X, Linux, iOS, Android. Крім прямого з'єднання, доступ можливий через брандмауер і NAT проксі, можливо отримання доступу до віддаленої машині за допомогою веб-браузера.

TeamViewer може працювати з інсталяцією або без неї -- в останньому випадку програма працює без адміністраторських прав доступу. Для встановлення зв'язку TeamViewer повинен бути запущений на обох машинах. При запуску TeamViewer генерується ID комп'ютера і пароль. Щоб встановити зв'язок між комп'ютерами, клієнт-оператор повинен зв'язатися з віддаленим оператором і дізнатися його логін і пароль, а потім ввести їх в клієнт-TeamViewer.

TeamViewer також може встановити зв'язок з віддаленим комп'ютером, використовуючи браузер з технологією Flash.

Webmin -- це програмний комплекс, що дозволяє адмініструвати операційну систему через веб-інтерфейс, в більшості випадків, дозволяючи обійтися без використання консолі і запам'ятовування системних команд. Використовуючи будь-який браузер, адміністратор сервера може створювати нові облікові записи користувачів, поштові скриньки, змінювати налаштування служб і сервісів, наприклад: веб-сервера Apache, DNS-сервера BIND, MySQL, PostgreSQL, FTP-сервера ProFTPd, Mail-сервера Postfix,SSH і ін. Проте, у деяких випадках необхідно знання операційної системи і редагування конфігураційних файлів вручну. Крім того, не всі програми можна конфігурувати через інтерфейс Webmin.

Webmin складається з простого веб-сервера і великої кількості скриптів, які власне і здійснюють зв'язок між командами адміністратора через веб-інтерфейс і їх виконанням на рівні операційної системи та прикладних програм. Webmin написаний повністю на мові Perl і не використовує ніяких додаткових нестандартних модулів.Також за допомогою Webmin можна виправляти конфігураційні файли вручну.

Дана панель керування безкоштовно розповсюджується для комерційного і некомерційного використання. Автори цієї програми дозволяють всім охочим не тільки безкоштовно використовувати програму, а й змінювати її на свій розсуд.

Zentyal (раніше відомий під ім'ям eBox Platform) -- серверний дистрибутив Linux, побудований на пакетній базі UbuntuLTS з довготривалою підтримкою, і орієнтований на створення серверів для обслуговування локальних мереж підприємств середнього та малого бізнесу. Zentyal постачається як у вигляді окремого установного Live-дистрибутиву, так і у вигляді набору пакунків для Ubuntu.

Сирцевий код проекту доступний на умовах ліцензії GNU General Public License, а також (частково) під різними власницькими угодами. Zentyal є власністю і спонсорується іспанською комерційною компанією eBox Technologies SL, яка володіє авторськими правами на кодову базу.

Керування всіма аспектами роботи дистрибутива проводиться через веб-інтерфейс, в рамках якого об'єднано близько 40 різних модулів для керування мережею, мережевими сервісами, офісним сервером та компонентами інфраструктури підприємства. Розвиток проекту орієнтовано на створення відкритої альтернативи продуктам для керування мережевою інфраструктурою підприємства від компанії Microsoft, таким як Windows Small Business Server, Windows Server, Microsoft Exchange, Microsoft Forefront.

Підтримується швидка організація роботи

· шлюзу,

· міжмережевого екрану,

· поштового сервера,

· VoIP (Asterisk),

· VPN-сервера,

· проксі (squid),

· файлового сервера,

· системи для організації взаємодії співробітників,

· системи моніторингу,

· сервера для резервного копіювання,

· системи забезпечення мережної безпеки (Unified Threat Manager),

· системи організації входу користувачів через Captive portal

Після встановлення кожний з підтримуваних модулів відразу готовий для виконання своїх функцій. Налаштування всіх модулів здійснюється через систему майстрів і не вимагає ручної правки файлів конфігурації.

2. ВІДДАЛЕНЕ КЕРУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ОБ'ЄКТАМИ

2.1 Віддалене керування технологічними об'єктами за допомогою Web-технологій

Одним із способів підвищення ефективності промислового виробництва є забезпечення справності його технологічних об'єктів та підтримка оптимальних режимів їх роботи. Однією з найважливіших задач, що виникають при розробці і впровадженні автоматизованих систем керування технологічними об'єктами, є забезпечення безперервного моніторингу, контролю та оперативного віддаленого керування технологічним процесом. Особливо важливою ця задача стає, коли самі об'єкти рознесені територіально на великій площі і знаходяться у важкодоступних або небезпечних для людини місцях.

На сучасному етапі розвитку технічних та інформаційних систем існує необхідність розвитку технологій віддаленого керування технічними об'єктами з використанням мережі Internet. Для прикладу розглянемо розробку мережевої системи керування локальними технічними об'єктами з використанням web-технологій.

Реалізація керування та моніторингу будь-яким технічним пристроєм, використовуючи браузер та локальну мережу або мережу Інтернет, повинна задовольняти наступним основним вимогам:

? використання системи не повинно значно навантажувати інформаційну мережу;

? обмін даними між інтерфейсом та адаптером повинен виконуватись за допомогою стандартного веб-протоколу HTTP, що усуває проблему налаштування мережевого обладнання;

? всі данні, відтворювані інтерфейсом, повинні динамічно змінюватись прямо у вікні браузера без повторного завантаження файлів інтерфейсу;

? собівартість фізичного адаптера не повинна перевищувати відповідних аналогів.

Реалізація вказаних функцій потребує як апаратних, так і програмних рішень (рис. 2.1).

Апаратна частина представлена у вигляді спеціальної схеми - «адаптера» на базі мікроконтролера, який перетворює web-запити в керуючі команди. «Адаптер» також повинен формувати текст відповіді, яка підтверджує виконання операції та може містити додаткову інформацію про стан пристрою. Програмна частина представлена у вигляді вихідних кодів інтерфейсу, бібліотек функцій та програмного забезпечення мікроконтролера адаптера.

Рис.2.1 Загальна структура віддаленого доступу з використанням мережі Інтернет

«Web-сервером» може бути будь-який комп'ютер з спеціальним програмним забезпеченням, яке обробляє web-запити та формує відповіді на них. Прикладом такої програми є «Apache», яка працює на Windows та Unix- подібних операційних системах. На даному комп'ютері зберігаються файли інтерфейсу, що потім завантажуються браузером.

«Комп'ютером» у даній системі може бути будь-який пристрій, який під'єднаний до мережі й має встановлений веб-браузер (Internet Exploer, Opera, Safari, Chrome і т.п.). Система, побудована за таким принципом, може функціонувати як у локальній мережі, так і в мережі Інтернет.

Для початку роботи із системою клієнт через «Браузер» повинен завантажити «web-інтерфейс», після завантаження сторінки інтерфейсу запускається web-додаток. Потім встановлюється зв'язок з адаптерною платою, яка під'єднана до локальної системи керування фізичним об'єктом. Після встановлення зв'язку запускається функціональне ядро додатку, у якому періодично формуються спеціальні web-запити до адаптера й оновлюється інформація про стан об'єкту керування. Інформація може оновлюватися через певні проміжки часу або за запитом користувача.

При необхідності внести зміни до конфігурації адаптера або передати дані до об'єкту керування, web-додаток формує запит і відправляє його до адаптера. Той, в свою чергу, повинен сформувати звіт про результати виконання запиту й відправити назад до додатку. Отримані результати обробляються й відображаються клієнту на екрані. Використання такої структури програми й алгоритму роботи дозволяють завантажувати інтерфейс тільки один раз, що значно зменшує трафік, а отже й навантаження на мережу.

Програмне забезпечення мікроконтролера апаратного адаптера включає функціональне ядро, список властивостей, інтерфейси обміну даними та конфігурування ядра, низькорівневий драйвер обміну даними та USB-драйвер.

Функціональне ядро - основний елемент програми, що створюється під час запуску мікроконтролера й відповідає за створення всіх інших об'єктів, необхідних для функціонування системи та включає в себе основні алгоритми роботи програми.

Список властивостей включає список об'єктів, які складаються з імені властивості та її фізичної адреси. Приклад: «VirtualPort» = PortB. Даний підхід полегшує функціонування всієї системи, оскільки веб-інтерфейс може звертатись до іменованої властивості, а не до фізичної адреси порту мікроконтролера, що підвищує абстракцію всієї програми.

Інтерфейс обміну даними приймає команди та посилає дані через спеціальний драйвер. Інтерфейс може зчитувати або встановлювати значення властивостей та конфігурувати роботу ядра.

Низькорівневий драйвер обміну даними - об'єкт, який реалізує зв'язок з програмованим контролером локальної системи керування фізичного об'єкту. Цей драйвер може бути написаний для будь-якого інтерфейсу обміну даними або взагалі бути віртуальним і не контактувати з фізичним світом (для налагоджувальних цілей). Використання патерну «драйвер - інтерфейс» забезпечує гнучкість програми та незалежність від платформи, на якій вона виконується.

Інтерфейс конфігурування ядра - базовий інтерфейс, який містить набір функцій, необхідних для конфігурування властивостей ядра та виконання основних функцій.

USB-драйвер - об'єкт, який реалізує зв'язок між контролером та комп'ютером, використовуючи шину USB.

Перевірка працездатності системи

Використання об'єктно-орієнтованого програмування забезпечує максимальну гнучкість програми. При правильній побудові архітектури, змінюючи тільки низько-рівневі функції та об'єкти, можливо з легкістю переносити програму на різні апаратні платформи (AVR, ARM, PIC і т.ін.).

Для перевірки працездатності системи за допомогою емулятора електронних схем Proteus була побудована тестова схема, до якої можна підключитись, використовуючи мережу Internet. Головне вікно додатку та віртуальна електронна схема зображені на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Схема та інтерфейс керування «IRDP»

Cхема побудована на мікроконтролері «ATMega16», до якого підключені 8-світлодіодів D4-D11 і один змінний резистор RV1. Світлодіоди D1-D3 відображають стан адаптера. Перетворення інтерфейсів з Ethernet в СОМ виконується за допомогою спеціального драйвера.

2.2 Система моніторингу та керування віддаленими об'єктами регулювання

Розглянемо ще одну систему віддаленого керування. Це система збирання даних і дистанційної передачі інформації, призначеної для збереження і подальшого оброблення. Система представлена у модульному вигляді і залежно від потреб може звужувати або розширювати свої функціональні можливості.

Як відомо, основою будь-якої системи автоматичного керування є оброблення вхідних даних, за значеннями яких виконується певний алгоритм керування. У поняття оброблення даних входить збір сигналів від системи, аналіз отриманих сигналів, їх нормалізація і передавання в систему керування.

В основі функціонування системи моніторингу знаходиться програмований мікропроцесорний пристрій або сукупність пристроїв і технічні засоби телемеханіки. Залежно від потреб, можливе місцеве передавання даних провідними каналами зв'язку або їх віддалене передавання з використанням безпровідних технічних рішень та інтерфейсів. Оскільки в системі використовується протокол RS-232, тому можливим є розширення цього протоколу за допомогою малодіючих безпровідних модулів BlueTooth.

В основу розробки покладено такий фактор, як універсальність її використання, тобто можливість встановлення системи на будь-які об'єкти керування із внесенням мінімальних змін у вже існуючі конструкції. Виділимо у системі такі рівні:

? базовий рівень, який містить електричний мікропроцесорний пристрій з індикаторами стану, можливістю ручного введення параметрів і самодіагностикою;

? рівень безпровідної передачі даних, що охоплює радіомодеми промислового діапазону частот 433 МГц, призначені для передачі параметрів на віддалені диспетчерські пункти;

? рівень програмної оброблення, який знаходиться на диспетчерському пункті і нагромаджує передані дані, здійснює обробку даних на основі інтелектуальних алгоритмів.

Мікропроцесорна система збирання та оброблення інформації.

Даний пристрій конструюється на основі двох мікроконтролерів PIC18F4620 і PIC16F690 виробництва фірми Microchip. Вимірювання параметрів стану об'єкта і задання керуючого параметра здійснюється на потужний мікроконтролер PIC18F4620. Передбачено 5 аналогових входів для під'єднання уніфікованих давачів і 7 дискретних виходів для під'єднання силової частини системи керування. Кожен дискретний вихід має логічний буфер, у ролі якого фігурує набір із J-K тригерів. Логічні буфери призначені для збереження відповідного логічного рівня на керуючих лініях. Таким чином значно зменшується енергоспоживання, оскільки основний контролер переходить у режим мінімального енергоспоживання, а також з'являється можливість вводу моніторингу логічного стану керуючих ліній. Якщо на будь-якій з ліній виникає обрив або інша неполадка, що призводить до некоректного функціонування усієї системи, тоді у діє вступає допоміжний мікроконтролер PIC16F690(рис. 2.3).

У процесі роботи цей мікроконтролер аналізує важливі параметри роботи системи: стан ліній керування; процеси прийому/передачі даних з/до інших елементів системи; напругу живлення. Якщо мікроконтролер ідентифікує несправність, тоді відповідне повідомлення про помилку та її код передається на централізований пункт оброблення даних. Крім цього, у разі виникнення помилки передбачене вмикання звукової сигналізації за допомогою високочастотного бузера. Після того, як основний контролер переходить до режиму очікування, логічні стани ліній запам'ятовуються в J-K тригерах і логічні рівні на виходах із J-K тригерів починають контролюватись допоміжним контролером.

Рис. 2.3 Загальна схема мікропроцесорної системи збирання та оброблення даних

Таким чином досягається самодіагностика системи, тобто можливість виявлення помилок. Оскільки в основу алгоритма функціонування регулятора покладено періодичне вмикання головного контролера, тому енергоспоживання, порівняно з режимом роботи без допоміжного контролера, не збільшується. Для організації зв'язку регулятора із радіомодулем або GSM модемом у конструкції передбачені комунікаційні інтерфейси RS-232. Інтерфейс RS-232 технічно виконується на основі мікросхеми MAX-232, яка перетворює логічні стани мікроконтролера +5 В та 0 у логічні стані послідовного комунікаційного порта +\- 12 В.

У пристрої передбачено роз'єм для підключення переносного пульта оператора, на якому відображаються параметри об'єкта. У режимі за замовчуванням відбувається лише відображення параметрів. Передбачено також режим ручного задавання параметрів. Конструктивно пристрій зібраний в уніфікованому корпусі для електротехнічних пристроїв Z104К. Можливий монтаж схеми як на спеціальних щитах, так і на відкритих стінках, оснащених DIN-рейкою. У конструкції використовуються лише уніфіковані деталі, розроблення друкованої плати здійснюється у середовищі Sprint Layout, тому конструкцію за необхідності можна модернізувати.

Технологічно контролер здатний сприймати вхідні сигнали з напругою 0…5 В і роздільною здатністю 210 біт. За необхідності використання передавачів з іншим типом вихідного сигналу використовується блок перетворювачів. При функціонуванні системи необхідно періодично проводити огляд її стану, перевірку коректності роботи і т.п. Тому в її конструкції передбачено виносний портативний пульт керування, за допомогою якого оператор має можливість отримувати значення поточних параметрів стану, вводити в регулятор розраховане значення задаючого параметра, діагностувати стан усієї системи (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Виносний пульт керування мікропроцесорної системи

Пульт керування під'єднується за допомогою роз'єму DB25 (LPT). Як тільки пульт під'єднано, на нього починає подаватись напруга й індикатори відображають значення параметрів. При від'єднаному пульті, для економії ресурсів мікроконтролера і зниження енергозатрат на його функціонування, передбачено програмне блокування режиму вводу і виводу даних.

Для виводу необхідної інформації про параметри стану системи використовуються світлодіодні семисегментні індикатори із загальним анодом. Керування ними здійснюється за допомогою двох інтегральних мікросхем К176ИД2 та К155ИД3. Мікросхема К176ИД2 перетворює код, який подається на входи 1-2-4-8, у код десяткового числа семисегментного індиктора. Мікросхема К155ИД3 виконує функцію анодного дешифратора семисегментних індикаторів, тобто, основна її задача полягає в тому, щоб у певний момент часу почергово вмикати відповідний семисегментний індикатор. Оскільки ця мікросхема має 4 входи двійкового коду, тому максимальна кількість індикаторів складає n=24=16. У системі використовується 12 індикаторів, тому вона задовольняє цій вимозі.

Алгоритм відображення параметрів на семисементних індикаторах полягає у такому: у певний момент часу мікросхема К155ИД3 активує один індикатор, у той самий час інша мікросхема К146ИД2 генерує на виходах двійково-десятковий код семисегментного індикатора залежно від того, яке значення при аналогово-цифровому перетворенні отримує контролер. Затримка між перемиканнями індикаторів вибирається експериментальним шляхом, вона залежність від частоти роботи мікроконтролера та параметрів мікросхем дешифраторів. Зазвичай ця затримка не повинна перевищувати 15-20 мкс.

Мікропроцесорна система керування енергоспоживанням.

Для функціонування системи необхідне постійне електричне живлення. Основою системи є мікропроцесорний блок, що функціонує на основі контролера PIC16F690. Конструктивно цей блок виконаний в уніфікованому корпусі і має 2 входи для джерел живлення, 1 вихід для навантаження, семисегментний індикатор для введення початкових налаштувань, світлодіодні індикатори для відображення поточного стану роботи. До першого входу під'єднана сонячна акумулятивна панель із послідовним перетворювачем і стабілізатором вихідної напруги типу LM317A, до другого входу під'єднана високоємнісна нікель-кадмієва акумуляторна батарея. У першому режимі модуль функціонує наступним чином: після подання вхідної напруги з сонячної панелі, необхідно здійснити налаштування мікропроцесорного регулятора на чутливість до вхідної напруги з першого входу. Налаштування здійснюються мікрокнопкою з кроком 10 %. Після налаштування на вихід блоку подається напруга і вся система починає функціонувати. Мікроконтролер аналізує вхідну напругу і порівнює її з заданим значенням. Якщо напруга знижується до критичної межі, генерується звуковий сигнал, який свідчить про настання "передаварійного" режиму. Після проходження аварійної межі, мікроконтролер подає сигнал на електричний ключ, через який подається напруга на котушку релейного елемента (рис. 2.5).

Після перемикання реле на вихід блоку подається напруга із резервної батареї живлення. Оскільки на виході блоку встановлені високоємнісні конденсатори, тому перехідний процес при перемиканні реле згладжується і є не критичним для системи. Після того, як рівень вхідної напруги стабілізується, відбувається автоматична дозарядка нікель-кадмієвого акумулятора. Завдяки цьому досягається автономна і безперервна робота як у денний, так і в нічний час протягом тривалого періоду часу без втручання людини.

Рис. 2.5 Схема мікропроцесорного регулятора електроживленням системи

Дана система має значний потенціал щодо подальших впроваджень, оскільки в кожному технологічному процесі необхідно проводити збір первинних даних від передавачів. Тобто можна застосовувати лише частину елементів системи, які необхідні для виконання конкретної задачі.

Основним застосуванням комплексної системи є проведення комплексного моніторингу екологічного стану проблемних природних об'єктів, виконувати на основі отриманих даних прогнозування екологічних показників. Також можливе застосування системи до будь-яких технологічних потреб, де необхідно проводити моніторинг стану та передачу на віддалені пульти керування отриманих даних для подальшої оброблення та аналізу.

3. РОБОТОТЕХНІКА

3.1 Класифікація роботів

Сучасна робототехніка виникла в середині 20 століття, коли в ході розвитку виробництва з'явилася реальна потреба в універсальних маніпуляційних машинах. Попередниками роботів були різного роду пристрої для маніпулювання на відстані об'єктами, контакт з якими небезпечний або не можливий для людини. Перші такі пристрої були пасивними, тобто механізмами без приводів і працювали за рахунок мускульної сили. Пізніше були створені маніпулятори з приводами, які управлялися людиною у різні способи. Перші такі маніпулятори були створені в 1940-1950 рр. для атомних досліджень, а пізніше й для атомної промисловості.

Робототемхніка -- прикладна наука, що займається розробкою автоматизованих технічних систем (роботів). Орієнтована на створення роботів і робототехнічних систем, призначених для автоматизації складних технологічних процесів і операцій, у т. ч. таких, що виконуються в не детермінованих умовах, для заміни людини при виконанні важких, втомливих і небезпечних робіт.

Термін роботехніка запровадив письменник-фантаст Айзек Азімов у 1942 році. Робототехніка буває будівельною, промисловою, побутовою, авіаційною, екстремальною (військовою, космічною, підводною ).

Робот -- автоматичний пристрій, що призначений для виконання виробничих та інших операцій, які зазвичай виконувались безпосередньо людиною. Для опису автоматичних пристроїв дія яких, не має зовнішньої схожості з діями людини, переважно використовується термін «автомат».

Найважливіші класи роботів широкого призначення - маніпуляційні та мобільні роботи.

Маніпуляційний робот - автоматична машина (стаціонарна або пересувна), що складається з виконавчого пристрою у вигляді маніпулятора, що має кілька ступенів рухливості, і пристрою програмного керування, який служить для виконання у виробничому процесі рухових і керуючих функцій. Такі роботи набули найбільшого поширення в машинобудівних і приладобудівних галузях.

Мобільний робот - автоматична машина, в якій є рухоме шасі з автоматично керованими приводами. Такі роботи можуть бути колісними, крокуючими і гусеничними (існують також плазуючі, плаваючі і літаючі мобільні робототехнічні системи).

Привід - це «м'язи» роботів. В наш час найпопулярнішими двигунами в приводах є електричні, але застосовуються і інші, що використовують хімічні речовини або стиснене повітря.

· Двигуни постійного струму: У даний момент більшість роботів використовують електродвигуни, які можуть бути декількох видів.

· крокові електродвигуни: Як можна припустити з назви, крокові електродвигуни не обертаються вільно, подібно двигунів постійного струму. Вони повертаються покроково на певний кут під керуванням контролера. Це дозволяє обійтися без датчика положення, так як контролеру точно відомо, на скільки був зроблений поворот.

· П'єзодвигуни: Сучасної альтернативою двигунів постійного струму є п'єзодвигуни, також відомі як ультразвукові двигуни. Принцип їх роботи абсолютно відрізняється: маленькі п'єзоелектричні ніжки, вібруючи з частотою більше 1000 разів на секунду, змушують мотор рухатися по колу або прямій. Перевагами подібних двигунів є висока швидкість і потужність, непорівнянна з їх розмірами. П'єзодвигуни вже доступні на комерційній основі і також застосовуються на деяких роботах.

· Повітряні м'язи: Повітряні м'язи - простий, але потужний пристрій для забезпечення сили тяги. При накачуванні стисненим повітрям, м'язи здатні скорочуватися до 40% від своєї довжини. Причиною такої поведінки є плетіння, видиме з зовнішньої сторони, яке змушує м'язи бути або довгими і тонкими, або короткими і товстими. Так як спосіб їх роботи схожий з біологічними м'язами, їх можна використовувати для виробництва роботів з м'язами і скелетом, аналогічними м'язам і скелету тварин.

· Електроактивні полімери: електроактивні полімери - це вид пластмас, який змінює форму у відповідь на електричну стимуляцію. Вони можуть бути сконструйовані таким чином, що можуть гнутися, розтягуватися або скорочуватися. Однак, в наш час немає ЕАП, придатних для виробництва комерційних роботів, так як всі неефективні або неміцні.

· Еластичні нанотрубки: Це багатообіцяюча експериментальна технологія, що знаходиться на ранній стадії розробки. Відсутність дефектів у нанотрубках дозволяє цьому волокну еластично деформуватися на кілька відсотків. Людський біцепс може бути замінений проводом з такого матеріалу діаметром 8 мм. Такі компактні «м'язи» можуть допомогти роботам в майбутньому обганяти і перестрибувати людей.

За різновидами рухового апарата роботи поділяються на:

Колісні та гусеничні роботи

Найбільш поширеними роботами даного класу є чотириколісні і гусеничні роботи. Створюються також роботи, які мають інше число коліс - два або одне. Такого роду рішення дозволяють спростити конструкцію робота, а також надати роботу можливість працювати в просторах, де чотирьохколісна конструкція виявляється непрацездатна.

Двоколісні роботи, як правило, використовують ті чи інші гіроскопічні пристрої для визначення кута нахилу корпуса робота та вироблення на приводи роботів відповідної керуючої напруги (з метою забезпечити утримання рівноваги і виконання необхідних переміщень). На даний момент, розроблено безліч подібних «балансувальних» пристроїв. До таких пристроїв можна віднести Сегвей, який може бути використаний, як компонент робота.

Одноколісні роботи багато в чому представляють розвиток ідей, пов'язаних з двоколісними роботами. Для переміщення в 2D просторі в якості єдиного колеса може використовуватися куля, що приводиться в обертання декількома приводами. Кілька розробок подібних роботів вже існують. Роботи такого типу мають деякі переваги, пов'язані з їх витягнутою формою, які можуть дозволити їм краще інтегруватися в людське оточення, ніж це можливо для роботів деяких інших типів.

Існує деяка кількість прототипів сферичних роботів. Деякі з них для організації переміщення використовують обертання внутрішньої маси.

Для переміщення по нерівних поверхнях, траві і кам'янистій місцевості розробляються шестиколісні роботи, які мають більше зчеплення, у порівнянні з чотириколісним. Ще більше зчеплення забезпечують гусениці. Багато сучасних бойових роботів, а також роботи, призначені для переміщення по грубим поверхням розробляються як гусеничні. Разом з тим, утруднено використання подібних роботів у приміщеннях, на гладких покриттях і килимах

Крокуючі роботи

Перші публікації, присвячені теоретичним і практичним питанням створення крокуючих роботів, відносяться до 1970 - 1980-х років XX ст.

Переміщення робота з використанням «ніг» являє собою складну задачу динаміки. Уже створено декілька роботів, що переміщаються на двох ногах, але ці роботи поки не можуть досягти такого стійкого руху, яке притаманне людині. Також створено безліч механізмів, що переміщаються на більш ніж двох кінцівках. Увага до подібних конструкцій обумовлено тим, що вони легші в проектуванні. Пропонуються також гібридні варіанти, здатні переміщатися на двох кінцівках під час ходьби і на чотирьох кінцівках під час бігу. Роботи, що використовують дві ноги, як правило, добре переміщаються по підлозі, а деякі конструкції можуть переміщатися по сходах. Переміщення по пересіченій місцевості є складним завданням для роботів такого типу. Існує ряд технологій, що дозволяють переміщатися крокуючим роботам. ZMP-технологія: ZMP (англ.) (Англ. Zero Moment Point, «точка нульового моменту») - алгоритм, що використовується в роботах, подібних ASIMO компанії Хонда.

Бортовий комп'ютер управляє роботом таким чином, щоб сума всіх зовнішніх сил, що діють на робота, була спрямована в бік поверхні, по якій переміщається робот. Завдяки цьому не створюється крутного моменту, який міг би стати причиною падіння робота. Щоправда, подібний спосіб руху не характерний для людини.

Стрибаючі роботи: в 1980-х роках професором Марком Рейбертом Массачусетського технологічного інституту був розроблений робот, здатний зберігати рівновагу за допомогою стрибків, використовуючи тільки одну ногу. Згодом алгоритм був розширений на механізми, що використовують дві і чотири ноги. Подібні роботи продемонстрували здатності до бігу і здатність виконувати сальто. Роботи, що переміщуються на чотирьох кінцівках, продемонстрували біг, переміщення риссю, алюром, стрибками.

Адаптивні алгоритми підтримки рівноваги в основному базуються на розрахунку відхилень миттєвого положення центру мас робота від статично стійкого становища або якоїсь наперед заданої траєкторії його руху. Зокрема, подібну технологію використовує крокуючий робот-носій Big Dog. При русі цей робот підтримує постійним відхилення поточного становища центру мас від точки статичної стійкості, що спричиняє необхідність своєрідної постановки ніг, а також створює проблеми із зупинкою машини на одному місці і відпрацюванням перехідних режимів ходьби. Адаптивний алгоритм підтримки стійкості також може базуватися на збереженні постійного напряму вектора швидкості центру мас системи, проте подібні методики виявляються ефективними тільки на досить високих швидкостях. Найбільший інтерес для сучасної робототехніки представляє розроблення комбінованих методик підтримки стійкості, що поєднують розрахунок кінематичних характеристик системи з високоефективними методами імовірнісного і евристичного аналізу.

Інші методи переміщення:

Літаючі роботи. Більшість сучасних літаків є літаючими роботами, керованими пілотами.

Автопілот здатний контролювати політ на всіх стадіях - включаючи зліт і посадку. До літаючих роботів відносяться також безпілотні літальні апарати (БПЛА; важливий їх підклас становлять крилаті ракети). Подібні апарати мають, як правило, невелику вагу (за рахунок відсутності пілота) і можуть виконувати небезпечні місії; деякі БПЛА здатні вести вогонь по команді оператора. Розробляються також БПЛА, здатні вести вогонь автоматично. Крім методу руху, використовуваного літаками, літаючими роботами використовуються й інші методи руху - наприклад, методи польоту властиві комахам, як, наприклад, RoboBee.

Одним із таких БПЛА є квадрокоптер - літаючий апарат, що рухається за допомогою регулювання швидкості обертання двигунів з пропелерами. Управління квадрокоптером є досить просте і зручне, також він може виконувати ряд завдать, які не під силу людині. Його функціонал розширюється у поєднанні з фото- чи відеокамерою. Програмне забезпечення для нього може написати будь-яка людина, яка оч трохи розуміється у програмуванні.

Повзаючі роботи. Існує ряд розробок роботів, що переміщаються подібно зміям, черв'якам, слимаків. Передбачається, що подібний спосіб переміщення може надати їм можливість переміщатися у вузьких просторах; зокрема, передбачається використовувати подібних роботів для пошуку людей під уламками будівель. Так само, розроблені змієподібні роботи, здатні переміщатися у воді; прикладом подібної конструкції може служити японський робот ACM-R5.

Роботи, що переміщаються по вертикальних поверхнях. При проектуванні подібних роботів використовуються різні підходи. Перший підхід - проектування роботів, що переміщаються подібно людині, підіймається на стіну, вкриту виступами. Прикладом подібної конструкції може служити розроблений в Стенфордському університеті робот Capuchin. Інший підхід - проектування роботів, що переміщаються подібно геконам.

Плаваючі роботи. Існує багато розробок роботів, що переміщаються у воді наслідуючи рухам риб. За деякими підрахунками ефективність подібного руху може на 80% перевершувати ефективність руху з використанням гребного гвинта. Крім того, подібні конструкції виробляють менше шуму, а також відрізняються підвищеною маневреністю. Це є причиною високого інтересу дослідників до роботів, що рухаються подібно рибам. Так само, існують розробки плаваючих роботів інших конструкцій. Прикладами є роботи компанії Festo: Aqua Ray, що імітує рухи ската і Aqua Jelly, що імітує рух медузи.