Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра "Автоматика и системы управления"

Отчет по преддипломной практике

Система передачи данных на базе беспроводной технологии для распределенного измерительного комплекса

И.И. Крузе, студент гр. 23И

Руководитель - доцент кафедры АиСУ А.Г. Малютин

Омск 2017

Содержание

• 1. Описание распределенного измерительного комплекса
• 1.1 Структура распределенного измерительного комплекса
• 1.2 Алгоритмы обмена данными
• 2. Требования к системе передачи данных
• 2.1 Стек протоколов 6LoWPAN
• 2.1.1 Архитектура 6LoWPAN-сети
• 2.1.2 Краткое описание системного стека
• 2.1.3 Интернет-протокол версии 6 (IPv6) поверх IEEE 802.15.4
• 2.1.4 Уровень адаптации 6LoWPAN
• 2.2 Операционные системы реального времени
• 2.2.1 Виды ОСРВ
• 2.2.2 Особенности ядра ОСРВ
• 2.2.3 Выбор ОСРВ
• Библиографический список


1. Описание распределенного измерительного комплекса

оборудование протокол алгоритм вычислительный

Распределенный измерительный комплекс (РИК) представляет из себя автоматизированную систему мониторинга и учета электроэнергии (АСМУЭ) на фидерах контактной сети на тяговой подстанции. Эта система позволяет решать вопросы оперативного мониторинга распределения электроэнергии в контактной сети, что позволяет корректировать уровень небаланса электроэнергии в контактной сети. Также с помощью АСМУЭ появляется возможность выявлять перетоки мощности между подстанциями, вызывающие дополнительные потери. Эта система была разработана на кафедре «Автоматика и системы управления» Омского государственного университета путей сообщения и ее прототип уже был установлен на железные дороги[1].

Модернизированный вариант АСМУЭ основан на ранее разработанном прототипе, введенном в эксплуатацию, и отличается от него новыми решениями. Наиболее важными из них являются решения направленные на повышение надежности и гибкости системы, а также алгоритмы, благодаря которым достигается уменьшение методических погрешностей измерений.

1.1 Структура распределенного измерительного комплекса

АСМУЭ является иерархической трехуровневой территориально распределенной автоматизированной системой:

- 1-й уровень включает в себя информационно-измерительные комплексы (ИИКи), которые выполняют функцию измерения и получения информативных параметров;

- 2-й уровень - информационно-вычислительные комплексы электроустановки (ИВКЭ) подстанций, каждая из которых состоит из устройств сбора и передачи данных (УСПД) и концентратора данных, предназначенного для получения и временного хранения информативных параметров с ИИКов;

- 3-й уровень - информационно-вычислительный комплекс (ИВК), который реализует функции централизованного сбора, хранения и представления основных информативных параметров.

В состав АСМУЭ входит также система обеспечения единого времени (СОЕВ), которая реализована на всех уровнях иерархии и обеспечивает единое время на всех компонентах системы. Синхронизация времени системы производится с точностью 5 с относительно мирового времени. Это позволяет осуществлять интеграцию с другими системами учета электроэнергии, установленными, например, на подвижном составе. Точность синхронизации времени внутри системы определяется различными факторами. В нормальном режиме ошибка синхронизации имеет значение порядка 10 мс. При отказах отдельных компонентов системы ошибка синхронизации, как правило, не выходит за пределы 200 мс.

Средства измерения ИИК, устанавливаемые на вводах 3,3 кВ выпрямительно-преобразовательных агрегатов и фидерах контактной сети тяговой подстанции, представляют собой измерительные преобразователи, выполняющие измерение тока и напряжения, вычисление мощности, принятой и переданной энергии, оперативное хранение полученных показаний и их передачу на концентратор данных (рисунок 1). Измерение тока осуществляется посредством токового шунта, установленного штатно на всех устройствах тяговых подстанций, измерение напряжения - посредством резистивного делителя, находящегося внутри корпуса измерительного модуля. Измерительная часть системы унаследована из ее прототипа.

Рисунок 1 - Основные модули ИИКа и схема его подключения

Отличительной особенностью мобильного варианта АСМУЭ является возможность ее быстрого развертывания и монтажа оборудования 1-го уровня на тяговой подстанции, что позволяет с меньшими затратами выполнять масштабирование системы или ее перенос на новые участки системы тягового электроснабжения для выполнения диагностики. Это реализовано за счет применения беспроводных технологий передачи данных (ZigBee) и использования модуля питания, подключаемого непосредственно к шине высокого напряжения, благодаря чему исключается необходимость монтажа проводных соединений.

Концентратор ИВКЭ, выполненный на базе промышленного компьютера, является шлюзом для получения и временного хранения информативных параметров с ИИКа и передачи полученных данных на ИВК. На рисунке 2 приведена структурная схема концентратора, в которой можно выделить следующие основные элементы:

- промышленный компьютер (с соответствующими интерфейсами);

- сенсорный LCD-монитор для отображения данных измерения и управления;

- USB-модуль ZigBee для взаимодействия с ИИКом;

- USB-модуль GPS/ГЛОНАСС для обеспечения синхронизации времени и определения местоположения.

Рисунок 2 - Структурная схема концентратора

Информационно-вычислительный комплекс представляет собой совокупность оборудования, предназначенного для сбора данных с информационно-вычислительных комплексов электроустановки подстанций и информационно-измерительных комплексов. ИВК выполняет накопление данных с ИИКа, ИВКЭ, обработку, архивацию, долговременное хранение и предоставление пользователям и эксплуатационному персоналу регламентированного доступа к результатам мониторинга энергетических показателей.

В состав ИВК может входить автоматизированное рабочее место диспетчера (АРМ), которое укомплектовано программным обеспечением, предназначенным для просмотра информативных параметров в табличном и графическом виде.

Главными элементами ИВК являются:

- средство сопряжения устройства сбора и передачи данных и сети передачи данных;

- сервер системы сбора данных телеметрии (ССДТ);

- сервер телеметрических приложений (СТП);

- элементы системы обеспечения единого времени (СОЕВ).

Основным программным средством ИВКа является сервис системы сбора данных телеметрии, который выполнен в виде службы ССДТ и выполняет следующие базовые функции:

- автоматический сбор результатов измерений с ИИКа и ИВКЭ;

- автоматический сбор данных о состоянии ИИКа и ИВКЭ;

- контроль достоверности данных;

- довосстановление данных (после восстановления работы каналов связи, восстановления питания и т. п.);

- автоматическое хранение результатов измерений, журналов событий ИИКа, УСПД и системы (не менее трех лет);

- ведение журналов различных событий и ошибок, произошедших в системе.

Сервер телеметрических приложений обеспечивает доступ пользователей и эксплуатационного персонала к данным телеметрии Взаимодействие ИВКЭ и ИВК осуществляется по проводной сети передачи данных (СПД) или при нахождении в зоне покрытия беспроводных сетей с использованием беспроводных технологий передачи данных (GSM, GSM-R, UMTS, LTE).

1.2 Алгоритмы обмена данными

Взаимодействие ИИКов, концентраторов и других устройств нижнего уровня с сервисом системы сбора данных телеметрии ИВК (далее - сервис) происходит путем обмена сообщениями, которые состоят из заголовка и тела сообщения (блок данных). Заголовок сообщения имеет следующую структуру:

- преамбула;

- длина тела сообщения;

- тип сообщения;

- номер сообщения (используется, если сообщение является частью цепочки связанных по смыслу сообщений).

Тело сообщения в формате CSV (или JSON) содержит либо текстовые строки измеренных величин и спектра, журналы, состояния, либо другие данные в зависимости от типа сообщения. В конце блока данных метка о завершении сообщения не указывается, поскольку в заголовке хранится его длина.

Тела сообщения для всех видов информации содержат временные метки, которые имеют следующую структуру: год_месяц_день (формат yyyy_mm_dd).

Рассмотрим основные этапы алгоритма обмена сообщениями между ИИКом и сервисом системы сбора данных телеметрии ИВКом).

ИИК самостоятельно инициирует сеанс связи с сервисом при наличии постоянного соединения по сети передачи данных или при нахождении в зоне покрытия беспроводной сети. После установления соединения ИИК передает сервису сообщения авторизации, местоположения и о временной отметке.

Если данные в сообщении авторизации корректные, то сервис отправляет в ИИК сообщение успешной авторизации. Если ИИК данное сообщение получает, то он начинает передавать информацию в соответствии с алгоритмом обмена сообщениями, специфичным для передаваемой информации.

Получение каждого сообщения сервис подтверждает посылкой сообщения состояния обмена, если не указано иное. ИИК при получении кода состояния обмена, отличного от корректного, повторяет передачу сообщения, которая завершилась неудачно.

Сообщения ИИКа могут поступать на сервис как отдельно, так и в общем потоке данных. Каждое из этих сообщений требует ответа. Может возникнуть ситуация, когда в потоке данных от одного ИИКа встретятся более одного блока, требующего ответа сервиса. Во избежание подобных ситуаций сервис отвечает на сообщение, которое первым встретилось в потоке данных, последующие сообщения ИИКа игнорируются. Забота о том, чтобы в одном потоке данных не встретилось несколько блоков, требующих ответа сервиса, возложена на ИИК.

ИИК в случае отсутствия связи с сервисом хранит регистрируемые параметры в течение месяца. После установления соединения с сервисом ИИК передает сохраненную информацию. Приоритет предоставляется информации, регистрируемой в реальном режиме времени.

При отсутствии сообщений от ИИКа на величину, большую, чем значение установленного таймаута ожидания, сервис закрывает соединение для данного ИИКа. При отсутствии сообщений от сервиса более таймаута ожидания ИИК закрывает соединение и повторяет попытку связи через временной промежуток таймаута повтора запроса.

Учитывая тот факт, что служба сбора данных телеметрии является сетевой и предназначена для удаленного взаимодействия с большим количеством ИИКов и концентраторами, она реализована по многопоточному и асинхронному принципам. Многопоточность позволяет достичь более эффективного использования ресурсов вычислительной машины за счет параллельного или псевдопараллельного исполнения не связанных программных задач. Асинхронность необходима для действий, которые потенциально являются блокирующими, например, когда приложение работает в сети. Например, взаимодействие сервиса и некото- рого ИИКа иногда осуществляется медленно или с задержкой. Если такое действие блокируется сервисом в пределах синхронного процесса, все сеансы связи с другими ИИКами вынужденно переходят в состояние ожидания. В случае асинхронного процесса независимо от завершения блокирующей задачи сервис может перейти к следующей операции, а потом вернуться к исходной задаче[2].

2. Требования к системе передачи данных

Измерение тока ИИКом осуществляется с частотой дискретизации 16000 Гц, что позволяет определять необходимые параметры с высокой точностью. Но в случае какого-либо сбоя программного обеспечения, данные будут теряться, так как прерывания АЦП приходящие с указанной выше частотой, должны быть обработаны до каждого следующего прерывания от АЦП, то есть за заранее заданное малое время. В то же время ИИК осуществляет еще некоторое количество задач (пункт 2.1.2), приоритет которых ниже.

При работе с сетью, основным стеком протоколов на всех уровнях АСМУЭ является TCP/IP. При использовании модуля беспроводной связи ZigBee построенного на стандарте IEEE 802.15.4 это не представляется возможным без использования специальных сетевых протоколов. Наиболее распространенный стек протоколов этого стандарта - ZigBee, но он не имеет прямой поддержки IP адресации и требует реализации прикладного уровня на шлюзе, что увеличивает вычислительную нагрузку на систему и ее стоимость. Альтернативным вариантом является стек 6LoWPAN, он имеет родную поддержку IP адресации (поверх стандарта IEEE 802.15.4) и не требует реализации прикладного уровня на концентраторе[3]. Так как ИИКи основаны на микропроцессорных модулях, есть возможность использования операционных систем реального времени с поддержкой необходимых сетевых возможностей, которые могут значительно облегчить разработку с учетом указанных выше требований.

2.1 Стек протоколов 6LoWPAN

6LoWPAN - открытый стандарт, определенный в RFC 6282 Рабочей группой инженеров Интернета (IETF) - организацией по стандартизации, которая определяет многие из открытых стандартов, используемых в Интернете, такие как UDP, TCP и HTTP, и это далеко не полный перечень. Полное имя - «IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks» означает «передача пакетов IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей», следовательно, 6LoWPAN является сетевой технологией или уровнем адаптации, который позволяет эффективно передавать пакеты IPv6 в небольших фреймах канального уровня, определенных в беспроводном стандарте IEEE 802.15.4. Особенность 6LoWPAN заключается в том, что он был первоначально задуман, чтобы поддерживать маломощные беспроводные сети 2,4 ГГц, построенные на базе IEEE 802.15.4, но теперь этот стандарт адаптирован и используется во множестве других сред сетевой передачи, включая беспроводные сети в диапазонах ниже 1 ГГц, Smart Bluetooth, передачу данных по линиям электропередачи (PLC) и маломощные сети Wi-Fi.

2.1.1 Архитектура 6LoWPAN-сети

На рисунке 1 показан пример сети IPv6, включающей ячеистую (mesh) 6LoWPAN-сеть. 6LoWPAN-сеть связана с IPv6-сетью посредством использования граничного маршрутизатора (edge router). Граничный маршрутизатор выполняет три действия: обмен данными между устройствами 6LoWPAN и другой IPv6-сетью, локальный обмен данными между устройствами в 6LoWPAN-сети и формирование и обслуживание радиоподсети (6LoWPAN-сети).

Рисунок 3 - Пример 6LoWPAN-сети

Взаимодействуя естественным способом с IP в родном формате, 6LoWPAN-сети связываются с другими сетями через стандартные IP-маршрутизаторы. Как показано на рисунке 3, сети 6LoWPAN, как правило, будут работать как оконечные на границе глобальной сети. Это означает, что входящие данные предназначены для одного из устройств в 6LoWPAN. Одна 6LoWPAN-сеть может быть связана с другими IP-сетями через один или более граничных маршрутизаторов, которые отправляют IP-датаграммы между различными средами передачи. Обеспечение связи с другими IP-сетями может быть предоставлено через любой произвольный канал, такой как Ethernet, Wi-Fi или 3G/4G. Поскольку 6LoWPAN только конкретизирует операции IPv6 поверх стандарта IEEE 802.15.4, граничные маршрутизаторы могут также поддерживать механизмы перехода IPv6, чтобы соединять 6LoWPAN-сети с IPv4-сетями, например механизм NAT64, определенный в RFC 6146.

Поскольку граничные маршрутизаторы отправляют датаграммы на сетевом уровне, они не поддерживают состояния прикладного уровня. Сети с иной архитектурой, такие как ZigBee, Z-волна или Bluetooth, требуют, чтобы шлюзы исполняли сложные прикладные программы, которые позволяют преобразовать специфичный трафик беспроводной сети перед отправкой данных в стандартный IP-канал. Эти прикладные шлюзы должны понимать любые прикладные профили, которые могут использоваться в сети, и любые изменения прикладных протоколов в беспроводных узлах должны также сопровождаться изменениями на шлюзе. Напротив, основанные на протоколах IP маршрутизаторы на границах сетей, например, граничный маршрутизатор, не зависят от прикладных протоколов, используемых в 6LoWPAN. Это снижает нагрузку на граничный маршрутизатор, например, на его вычислительную мощность, позволяя таким образом использовать встраиваемые устройства с низкой стоимостью, более простым программным обеспечением и менее сложными аппаратными средствами. При этом архитектура IP не препятствует использованию для оптимизации работы сети прокси и кэш-памяти, которые широко используются в современном Интернете.

В типичную 6LoWPAN-сеть включены еще два устройства: роутеры и хосты. Роутеры, как определяется по их названиею, могут ретранслировать данные, предназначенные другим узлам в 6LoWPAN-сети. Хосты, также именуемые оконечными устройствами не в состоянии направлять данные на другие устройства в сети. Хост может также быть «спящим» устройством, которое «просыпается» периодически, чтобы проверить наличие данных у своего «родителя» (роутера), что позволяет потреблять очень малую мощность.

2.1.2 Краткое описание системного стека

Все системы связи используют набор правил или стандартов форматирования и управления обменом данных. Наиболее общая модель систем передачи данных - модель взаимодействия открытых систем (OSI), которая, в упрощенном виде, разбивает связь на пять фундаментальных уровней. На рисунке 2 показана эта упрощенная модель OSI с двумя типичными примерами стеков. Первый пример - устройство, запускающее стек 6LoWPAN, второй пример - устройство, основанное на ZigBee.

Рисунок 2 - Примеры модели OSI, стеков ZigBee и 6LoWPAN

Физический уровень преобразует биты данных в сигналы, которые передаются и получаются по эфиру. В 6LoWPAN, например, используется IEEE 802.15.4.

Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных между двумя непосредственно связанными узлами за счет обнаружения и исправления ошибок, которые могут возникнуть на физическом уровне во время передачи и приема. Канальный уровень включает уровень доступа к среде передачи (MAC), использующий метод множественного доступа с контролем несущей и исключением столкновений (CSMA-CA), в соответствии с которым радиостанция прослушивает эфир, определяя, ведет ли передачу какая-либо другая станция, перед началом передачи данных по эфиру. Этот уровень также обеспечивает синхронизацию данных. В 6LoWPAN, например, уровень MAC определяется стандартом IEEE 802.15.4. Уровень адаптации 6LoWPAN, обеспечивая переход от IPv6 к IEEE 802.15.4, также располагается на канальном уровне.

Сетевой уровень поддерживает адресацию и маршрутизацию данных через сеть, если нужно сделать несколько ретрансляций. IP (межсетевой протокол) - сетевой протокол, используемый для предоставления всем устройствам IP-адресов с целью транспортировки пакетов от одного устройства до другого.

Транспортный уровень открывает сессии связи между приложениями, запускаемыми на конечных устройствах. Транспортный уровень позволяет нескольким приложениям на каждом устройстве иметь собственный канал связи. TCP - доминирующий транспортный протокол в Интернете. Однако TCP основан на протоколе соединения (включая упорядочение пакетов) с большим объемом служебной информации и поэтому не всегда подходит для устройств, требующих ультрамалого потребления энергии. Для систем такого типа лучшей опцией может быть UDP - протокол без установления соединения с меньшим объемом служебной информации. Примером безопасного транспортного уровня является протокол TLS (безопасность транспортного уровня), который выполняется поверх TCP и DTLS и основан на UDP.

Наконец, прикладной уровень отвечает за форматирование данных. Он также проверяет, что данные транспортируются по оптимальной для приложения схеме. Широко используемый прикладной уровень в Интернете - HTTP, запускаемый поверх TCP. HTTP использует XML - текстовый язык с большим объемом служебной информации. Поэтому не оптимально использовать HTTP во многих системах 6LoWPAN. Однако HTTP все еще может быть очень полезным для связи между 6LoWPAN и Интернетом. Поэтому промышленные и общественные организации разработали альтернативные протоколы прикладного уровня, например ограниченный прикладной протокол (COAP) - протокол передачи сообщений поверх UDP с бит-оптимизированным механизмом REST, очень похожий на HTTP. COAP отнесен IETF в RFC 7252 и определяет ретрансляцию сообщений с подтверждением и без, поддержку «спящих» устройств, передачу блоков, поддержку подписки и обнаружение сервисов. COAP также легко преобразовать в HTTP через прокси.

2.1.3 Интернет-протокол версии 6 (IPv6) поверх IEEE 802.15.4

Это ограничение IPv4 стимулировало развитие IPv6 в 1990-х годах, его коммерческое развертывание началось с 2006 года. IPv6 покрывает адресное пространство 2128, то есть имеет 3,4*1038 уникальных адресов. Этого должно быть достаточно для масштабирования Интернета в течение многих десятилетий, в том числе с перспективой роста «Интернета вещей», к которому, согласно оценкам, может быть подключено 50 миллиардов устройств к 2020 году.

Чтобы найти возможность увеличения пропускной способности, IPv6 увеличивает максимальный размер передаваемого блока (MTU) с 576 до 1280 байтов. В IPv6 также отражены изменения и усовершенствования технологий использования Интернета на канальном уровне. Ethernet - доминирующая технология связи, и его пропускная способность увеличивается год от года. В Wi-Fi, как и в Ethernet, поддерживаются MTU аналогичного размера и очень высокие канальные скорости. И Ethernet, и Wi-Fi работают, как правило, на многофункциональных устройствах со значительным запасом вычислительной мощности. С другой стороны, IEEE 802.15.4 был спроектирован чтобы обслуживать различный рынок приложений, где требуется большое количества недорогих малопотребляющих устройств. Пропускная способность в этом стандарте ограничена 250 кбит/с, а длина фрейма ограничена 127 байтами, что гарантирует низкую частоту появления ошибок пакетов и битов при передаче по радиоканалу. Кроме того, IEEE 802.15.4 использует два адреса: 16-битный короткий адрес и расширенный адрес EUI-64. Эти адреса уменьшают общий объем служебной информации в заголовке пакета и минимизируют требования к памяти. Кроме того, 6LoWPAN работает обычно в mesh-сети с ретрансляцией пакетов через несколько узлов, что является фундаментальным отличием от сети на основе Ethernet или Wi-Fi. Наконец, устройства, реализованные на основе 6LoWPAN, как правило, имеют ограниченные ресурсы, например, оперативную RAM-память приблизительно 16 кбайт и Flash 128 кбайт.

2.1.4 Уровень адаптации 6LoWPAN

- Бесконтекстное автоконфигурирование - это процесс, благодаря которому устройства в 6LoWPAN-сети автоматически генерируют собственные адреса IPv6. Есть методы, позволяющие избежать случая, когда два устройства получают один и тот же адрес; это называют обнаружением дублирования адреса (DAD).

Ключевым понятием уровня адаптации 6LoWPAN является бесконтекстное или совместно используемое контекстное сжатие с целью игнорирования областей заголовка. Это позволяет сжимать все заголовки (уровня адаптации, сетевого и транспортного уровня) вплоть до нескольких байтов. Области заголовка можно сжимать, так как они часто имеют общие значения. Общие значения возникают из-за частого использования подмножества функциональных возможностей IPv6, а именно - UDP, TCP и ICMP. Можно также сделать предположения относительно совместно используемого контекста, например общего сетевого префикса для всей системы 6LoWPAN. Уровень адаптации 6LoWPAN также удаляет дублированную информацию, такую как адреса IPv6 и поле длины UDP/IPv6, которые могут быть получены из других уровней[4].

2.2 Операционные системы реального времени

Система реального времени -- это такая система, корректность работы которой зависит не только от выполнения неких заданий, но и от времени их выполнения. Если временные параметры задания нарушены -- оно считается невыполненным. Следовательно, сама система должна иметь гарантированные временные параметры, т.е. поведение системы должно быть предсказуемым. Это позволяет минимизировать количество невыполненных (вследствие нарушения временных параметров) заданий.

Хорошим примером системы реального времени является робот, который берет деталь, движущуюся по конвейеру. Если он опоздает, то пропустит один цикл работы конвейера, а попытка взять деталь слишком рано может заблокировать движение других деталей. Другой пример -- самолет, летящий на автопилоте. Специальные датчики определяют положение самолета в трехмерном пространстве. Только постоянное и своевременное получение этих данных бортовым компьютером гарантирует безопасность полета[5].

2.2.1 Виды ОСРВ

Динамические свойства операционных систем реального времени принято характеризовать тремя определениями: ОСРВ «жесткого» (hard), «мягкого» (soft) и интерактивного («условного») реального времени:

- Жесткое реальное время. Предусматривает наличие гарантированного времени отклика системы на конкретное событие, например, аппаратное прерывание, выдачу команды управления и т.п. Абсолютная величина времени отклика большого значения не имеет. Так, если необходимо, чтобы программа отработала некоторую команду за 1 миллисекунду, но она справляется с этим заданием лишь в 95% случаев, а в 5% не укладывается в заданное время, такую систему нельзя охарактеризовать как работающую в жестком реальном времени. Если же команду нужно отработать в течение часа, что и происходит в 100% случаев - это жесткое реальное время;

- Мягкое реальное время. В этом случае ожидающееся время отклика системы является величиной скорее индикативной, нежели директивной. Конечно, предполагается что в большинстве случаев отклик уложится в заданные пределы. Однако и остальные варианты - в том числе полное отсутствие реакции системы - не должны приводить к неудовлетворительным результатам. Обычно считается, что если временной норматив превышен на один порядок, то это еще терпимо;

- Интерактивное реальное время. Является скорее психологической, нежели технической характеристикой. Определяет время, в течение которого оператор - человек - способен спокойно, без нервозности, ожидать реакции системы на данные им указания. В качестве примера можно привести весьма популярные сегодня игры из категории «стратегии реального времени».

В системах реального времени необходимо введение некоторого директивного срока , до истечения которого задача должна обязательно (для систем мягкого реального времени - желательно) выполниться. Этот директивный срок используется планировщиком задач как для назначения приоритета задачи при ее запуске, так и при выборе задачи на выполнение.

Зачастую под СРВ безусловно понимают встроенные операционные системы, на деле же, существует различие между системами реального времени и встроенными системами. От встроенной системы не всегда требуется, чтобы она имела предсказуемое поведение, и в таком случае она не является системой реального времени. Однако даже беглый взгляд на возможные встроенные системы позволяет утверждать, что большинство встроенных систем нуждается в предсказуемом поведении, по крайней мере, для некоторой функциональности, и таким образом, эти системы можно отнести к системам реального времени.

Исходя из приведенных выше требований к системе (пункт 2.2), подходящим вариантом выбора типа операционной системы реального времени является система «жесткого» времени[6].

2.2.2 Особенности ядра ОСРВ

Указанный абстрактный уровень предоставляет для прикладного ПО пять основных категорий сервисов:

- Управление задачами. Самая главная группа сервисов. Позволяет разработчикам приложений проектировать программные продукты в виде наборов отдельных программных фрагментов, каждый из которых может относиться к своей тематической области, выполнять отдельную функцию и иметь свой собственный квант времени, отведенный ему для работы. Каждый такой фрагмент называется задачей. Сервисы в рассматриваемой группе обладают способностью запускать задачи и присваивать им приоритеты. Основной сервис здесь -- планировщик задач. Он осуществляет контроль над выполнением текущих задач, запускает новые в соответствующий период времени и следит за режимом их работы;

- Динамическое распределение памяти. Многие (но не все) ядра ОСРВ поддерживают эту группу сервисов. Она позволяет задачам заимствовать области оперативной памяти для временного использования в работе приложений. Часто эти области впоследствии переходят от задачи к задаче, и посредством этого осуществляется быстрая передача большого количества данных между ними. Некоторые очень малые по размеру ядра ОСРВ, которые предполагается использовать в аппаратных средах со строгим ограничением на объём используемой памяти, не поддерживают сервисы динамического распределения памяти;

- Управление таймерами. Так как встроенные системы предъявляют жёсткие требования к временным рамкам выполнения задач, в состав ядра ОСРВ включается группа сервисов, обеспечивающих управление таймерами для отслеживания лимита времени, в течение которого должна выполняться задача. Эти сервисы измеряют и задают различные промежутки времени (от 1 мкс и выше), генерируют прерывания по истечении временных интервалов и создают разовые и циклические будильники;

- Взаимодействие между задачами и синхронизация. Сервисы данной группы позволяют задачам обмениваться информацией и обеспечивают её сохранность. Они также дают возможность программным фрагментам согласовывать между собой свою работу для повышения эффективности. Если исключить эти сервисы из состава ядра ОСРВ, то задачи начнут обмениваться искаженной информацией и могут стать помехой для работы соседних задач;

- Контроль устройства ввода-вывода. Сервисы этой группы обеспечивают работу единого программного интерфейса, взаимодействующего со всем множеством драйверов устройств, которые являются типичными для большинства встроенных систем.

В дополнение к сервисам ядра, многие ОСРВ предлагают линейки дополнительных компонентов для организации таких высокоуровневых понятий, как файловая система, сетевое взаимодействие, управление сетью, управление базой данных, графический пользовательский интерфейс и т. д. Хотя многие из этих компонентов намного больше и сложнее, чем само ядро ОСРВ, они, тем не менее, основываются на его сервисах. Каждый из таких компонентов включается во встроенную систему, только если её сервисы необходимы для выполнения встроенного приложения и только для того, чтоб свести расход памяти к минимуму[7].

2.2.3 Выбор ОСРВ

- FreeRTOS - основной конкурент Linux среди встраиваемых платформ. И хотя испытывает проблемы с драйверами, учётными записями пользователей и прочими достоинствами полноценных ОС, но зато способен работать на 1KiB памяти и 5-10 KiB ROM. Хотя для полноценного сетевого взаимодействия с TCP/IP требуется 24KiB RAM and 60KiB flash;

- RIOT OS - вот уже 8 лет как эта ОС известна своей энергоэффективностью и широчайшей поддержкой беспроводных сетей. Для работы достаточно 1.5KiB RAM and 5KiB flash, что почти так же, как и у Tiny OS (представлена ниже). При этом система предлагает многопоточность, управление памятью, частичную POSIX-совместимость и прочие вещи, которые более типичны для Linux, нежели для лёгких RTOS. Разрабатывать под эту ОС можно и из-под Linux или OS X;

- TinyOS - эта ОС разрабатывается под BSD лицензией и требует наименьшее количество ресурсов из всех вменяемых систем. Система написана на диалекте Си, называемом nesC. Основное применение: малопроизводительные микроконтроллеры, хотя в настоящее время проводится работа над поддержкой Cortex-M3;

- Contiki - не может соревноваться с Tiny OS или RIOT OS, однако для работы требует всего лишь 10KiB RAM and 30KiB flash, отлично работает с беспроводной связью и дружит с IPv6. ОС сопровождается внушительным набором утилит для разработки и тестирования, в том числе и Cooja Network Simulator для отладки беспроводных сетей. Основное достоинство -- малое потребление памяти [8].

Для реализации 6LoWPAN сети на между ИИКами и концентратором была выбрана операционная система реального времени Riot OS. Она основана на ядре Linux, что позволяет отлаживать разработанные с помощью нее прошивки для реальных устройств с помощью различных дистрибутивов Linux.

Эта система является жесткой, и позволяет ограничивать время на выполнение задачи встроенными таймерами до 1 микросекунды, чего достаточно для представленных выше требований.

В операционной системе уже есть драйвера под некое количество аппартного обеспечения, среди которого есть и различные сенсоры окружающей среды, и радиомодули, и ультразвуковой датчик расстояния, и сервопривода. Есть поддержка таких сетевых технологий, как AODVv2, 6LoWPAN, RPL, сжатие заголовков TCP для 6LoWPAN, CCN-Lite, OpenWSN, CoAP, CBOR и UBJSON.

Операционная система RIOT эффективна с точки зрения энергопотребления и в ней применен эффективный планировщик, который старается минимизировать переключения контекстов. Архитектура системы такова, что ошибка в одном из модулей не «рушит» всю систему, тем самым мы получаем большую надежность общей системы. И это все при минимальных требованиях к аппаратному обеспечению[9].

Библиографический список

1 Информационная система оперативного контроля параметров электроэнергии в сети тягового электроснабжения [Текст] / С. Н. Чижма, А. А. Лаврухин и др. // Интеллектуальные технологии на транспорте. - Санкт-Петербург, 2015. - № 2. - С. 10 - 19.

2 Лаврухин, А.А. Алгоритмы и структурные решения для построения автоматизированной системы мониторинга и учета электроэнергии на фидерах контактной сети [Текст] / А.А. Лаврухин, А.Г. Малютин, А.С. Окишев, А.Б. Кильдибеков //Известия Транссиба / Омский гос. Ун-т путей сообщения. - Омск, 2016. - № 4. - С. 125 - 134.

3 6LoWPAN vs ZigBee [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://r-iot.org/2016/05/15/6lowpan-vs-zigbee/

4 Раскрываем тайны 6LoWPAN [Электронный ресурс] - Режим доступа http://www.compel.ru/lib/ne/2015/11/5-raskryivaem-taynyi-6lowpan

5 ОСи реального времени [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://xakep.ru/2003/03/18/17912/

6 Системы реального времени. Виды ОСРВ [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.4stud.info/rtos/lecture1.html

7 Операционные системы реального времени [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Операционная_система_реального_времени

8 Открытые операционные системы для интернета вещей [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://habrahabr.ru/post/314122/

9 Бунтарская операционная система [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://geektimes.ru/post/250788/

Размещено на Allbest.ru