GSM SMS GPRS Industrijski Terminal

5/23/2018 GSM SMS GPRS Industrijski Terminal

1/54

VIA ELEKTROTEHNIKA KOLA

IPETIURO

GSM/GPRS/SMS INDUSTRIJSKI TERMINAL

-diplomski rad-

BEOGRAD, 2007


2/54

Kandidat: ipetiUro

Broj indeksa: 132/2004

Smer: Elektronika i telekomunikacije

Tema: GSM/GPRS/SMS INDUSTRIJSKI TERMINAL

Osnovni zadaci:

1. Analiza problema

2. Projektovanje i realizacija

3. Ispitivanje

Hardver: 5% Softver: 70% Teorija: 25%

Mentor:

Beograd, ____________________________

07.06.2007. Mr Borislav Hadibabi, prof. VET


3/54

IZVOD

U ovom diplomskom radu je predstavljen ureaj GSM Reporter proizvod firme"Decode Data Communications" iz Beograda. Funkcije ureaja su bazirane na eksploatacijiservisa koje nudi GSM mrea, pre svih SMS i GPRS servisa. U ove funckije se ubrajaju slanjealarmnih i periodinih poruka, daljinsko upravljanje ureajem i prenos podataka poindustrijskim protokolima. U radu je analizirana hardverska i softverska realizacija ureaja, aakcenat je stavljen na izradu i implementaciju softvera to je bio i glavni zadatak autora.

ABSTRACT

This graduation paper presents the GSM Reporter device product of "Decode DataCommunications" company from Belgrade. Device functions are primarily based on usage ofservices offered by GSM network, above all, SMS and GPRS services. These functionsconsist of sending alarm and periodical report messages, remote device management andcontrol, and transfer of data via industrial protocols. The paper is focused on analysis ofhardware and software solutions, and the main attention is kept on development andimplementation of software concepts, which was the author's main concern.


4/54

1. UVOD 1

2. ANALIZA MOGUNOSTI KORIENJA GSM MREA 5

2.1. PREGLED KARAKTERISTIKA SERVISA GSMMREE 52.1.1. SERVIS KRATKIH PORUKA (SMS) 52.1.2. PRENOS PODATAKA SA KOMUTACIJOM KANALA (CSD) 52.1.3. PRENOS PODATAKA SA KOMUTACIJOM PAKETA (GPRS) 6

2.2. DEFINISANJE FUNKCIJA I KARAKTERISTIKA INDUSTRIJSKOG GSMREPORTERA 82.2.1. OPIS UREAJA 82.2.2. GSMREPORTER KAO STANDARDNI GSMTERMINAL U TRANSPARENTNOM REIMU 92.2.3. SLANJE ALARMA I UPRAVLJAKIH KOMANDI PUTEM SMSPORUKA 102.2.4. PRENOS PODATAKA PO INDUSTRIJSKIM PROTOKOLIMA PREKO GPRS-A 11

3. PRIKAZ GSM TERMINALA 13

3.1. UREAJ U CELINI 133.2. GR64-GSMMODUL 153.3. MSP430F149MIKROKONTROLER 163.4. MEHANIKA KONSTRUKCIJA UREAJA 173.5. FUNKCIONALNI BLOKOVI UREAJA 18

3.5.1. BLOK ZA NAPAJANJE 183.5.2. MIKROPROCESORSKI BLOK 193.5.3. SERIJSKI INTERFEJSRS232 213.5.4. BLOK GSMMODULA 233.5.5. ULAZNO-IZLAZNI BLOK 24

4. OPIS FUNKCIJA SOFTVERA 26

4.1. OPIS NAJZNAAJNIJIH FUNKCIONALNIH CELINA SOFTVERA 264.1.1. KRUNI BAFER 264.1.2. I/OPROCESOR 284.1.3. KOMANDNI PROCESOR 29

4.2. TRANSPARENTNI REIM 334.3. SMSREIM 344.4. GPRSREIM 38

5. REZULTATI ISPITIVANJA 41

6. ZAKLJUAK 44

7. INDEKS POJMOVA 45

8. LITERATURA 46

9. PRILOG 47

9.1. DNEVNI DIJAGRAMI TRANSPORTNOG VREMENA 47


5/54

GSM/SMS/GPRS industrijski terminalUro ipeti

1

1. UVOD

Pre deset godina telemetrijski i telekomandni sistemi su bili privilegija malog broja

"velikih" i zahtevnih korisnika. Trokovi uspostavljanja, odravanja i korienjakomunikacionih kanala su uglavnom bili preveliki za projekte skromnijih budeta.

Trebalo je saekati nekoliko godina kako bi razvoj i komercijalizacija GSM mreedovela do toga da ona postane javna i ire dostupna. Osobine kao to su dostupnost,rasprostranjenost i veliki broj servisa koje prua nova tehnologija, omoguili su realizaciju

jedne nove klase telemetrijskih i telekomandnih sistema koje karakterie sposobnost direktnekomunikacije izmeu ureaja i raunara. Taj princip komunikacije se danas esto oznaavaskraenicom M2M (Machine-to-Machine).

Proizvoai mobilnih terminala su predvideli znaajne potencijale ovog segmenta tritapa je ponuda pomenutih ureaja raznovrsna, kako po karakteristikama tako i po ceni. Ako seuzme u obzir da poetni troak prikljuenja na GSM mreu trenutno moe iznositi ispod 200

razumljivo je da mnogi korisnici raunaju na ovo brzo i jeftino reenje. Meutim kako svakoreenje raa nove probleme, ni ovaj sluaj nije izuzetak. Tarifiranje, tarifni paketi, brzinaodziva, izgubljeni podaci, raskidanje veze, optereenje mree, kvalitet servisa, sloeno

podeavanje terminala, veuveliko komplikuje ivot projektantima i korisnicima.

Klasifikujui telekomunikacione sisteme na javne i privatne, moe se napraviti kratakosvrt na prednosti i nedostatke ovih sistema u njihovoj primeni kod daljinskog upravljanja,merenja i nadzora u industrijskom sektoru, kao i mesto GSM sistema meu njima.

Kada je re o javnim sistemima, oni potencijalnim korisnicima nude mogunostpovezivanja bez krupnijih ulaganja, s obzirom na to da infrastruktura vepostoji i stalno seunapreuje i proiruje. Ovo je ujedno i jedna od najveih prednosti javnih sistema. Nedostaci

su najveim delom izraeni u kvalitetu usluge i raznovrsnosti servisa koji javni sistem moeponuditi korisniku. Obzirom na to da veina javnih sistema, iako komercijalnog karaktera,potpada pod privatno vlasnitvo, politika kompanija ili pojedinaca koji ih poseduju uglavnomje diktirana zakonima trita. To praktino znai da e se odreena usluga pojaviti u ponudisamo ako za njom postoji izvesna potranja, tj. da e ona ostati u ponudi ako potranja zadrizadovoljavajui nivo. Takoe, kvalitet usluga koje se nude odreen je ekonomskim i

politikim stanjem okruenja u kojem kompanije i pripadajui javni sistemi deluju. Oveinjenice dovode do zakljuka da se kod javnih sistema korisnici moraju prilagoavatimogunostima i uslugama koje im se pruaju. Ukoliko to nije mogue, ostvarenje svojih

planova i zamisli korisnici moraju potraiti u drugom sektoru, a to je privatni.Privatni sistemi, iako mogu imati infrastrukturu i organizaciju slinu javnim, odnosno

komercijalnim, i koristiti sline tehnologije, razlikuju se od njih po tome to korisniku nudeupravo ono to mu treba, i to su samom korisniku na raspolaganju kompletni potencijalikojim sistem raspolae. Projektovanje i podizanje takvih sistema se obavlja pospecifikacijama korisnika, tako da se paljivim i sistematinim planiranjem moe dobitifleksibilan i efikasan sistem koji e vremenom moi da se nadgrauje i usavrava. Glavninedostaci privatnih sistema su velika ulaganja u infrastrukturu i odravanje koje snosi samkorisnik, kao i administrativni trokovi i odreeni broj dozvola koje se moraju dobiti odnadlenih institucija (dozvole za korienje frekvencija, polaganje ili podizanjetelekomunikacionih vodova itd.). Privatni sistemi mogu objedinjavati vie razliitihtehnologija, kombinovati ini i beini prenos podataka, a mogu biti i povezani na neki od


6/54


2

javnih sistema. Od javnih sistema najdostupniji za prenos podatka su fiksna telefonska mrea,mobilna telefonska mrea, kablovsko-distributivni sistemi, sistemi za prenos podataka prekoelektroenergetskih vodova, Internet (prenos podataka preko Interneta je sa fizike takegledita izveden posredstvom prethodno navedenih sistema, dok je logika koncepcija

Interneta kao globalne mree ostvarena objedinjavanjem skupa komunikacionih protokolaviih i niih nivoa), itd.

GSM mrea se esto naziva elijskom mreom (cellular). Ovaj naziv je potekao odtopoloke strukture mree, jer je teritorija pokrivena po elijskom principu. U centru svakeelije nalazi se digitalni primopredajnik koji se naziva bazna stanica ili BTS (BaseTransceiver Station). Ona je deo grupe koju ini vei broj baznih stanica ili skraeno BSS(Base Station Subsystem), u ijem centru se nalazi kontroler baznih stanica (BSC BaseStation Controller). Vie ovakvih grupa ine jedinstvenu celinu povezivanjem sa centrom zamobilnu komutaciju, tj. MSC-a (Mobile Switching Center). Pored uloge hijerarhijskoggrupisanja, voenja evidencije o lokacijama i autorizaciji mobilnih jedinica (HLR, AUC),ovaj centar ima i ulogu povezivanja GSM mree sa javnom telefonskom mreom (PSTN -

Public Switched Telephone Network), i komutacijom podataka izmeu ove dve mree.

Slika 1.1. Struktura GSM mree

GPRS (General Packet Radio Service) je mreni podsistem, koji je svoje mesto uhijerarhiji GSM sistema pronaao iz potrebe za paketnim prenosom podataka. Topolokigledano, svakoj grupi baznih stanica (BSS) je dodeljen po jedan pomoni interfejs za GPRS

podrku SGSN (Serving GPRS Support Node). Proirivanjem skupa protokola koji se koristeu komunikacionom lancu izmeu mobilnog terminala i BSC-a omogueno je izdvajanje


7/54


3

podataka iz ovog lanca i njihovo preusmeravanje na novu podmreu, preko PCU-a (PacketControl Unit) i SGSN-a. Saobraaj u okviru ove podmree odvija se u paketnom reimu, i to

po IP protokolu, to znai da se mobilni terminali adresiraju pomou IP adresa iz klase koja jerezervisana za korienje u lokalnim mreama (Local Area Network). Ova IP mrea je preko

GGSN-a (Gateway GPRS Support Node) povezana sa drugim paketnim mreama (Internet,intranet).

GSM standard je u poetku prvenstveno bio namenjen beinom prenosudigitalizovanog zvunog signala u glasovnom frekvencijskom opsegu, dok je prenos podataka

bio stavljen u drugi plan. Meutim i pored toga to mu to nije osnovna namena, GSM sepokazao kao dobar posrednik u prenosu podataka. Razlog tome lei u digitalnoj osnovisistema prenosa i komutacije.

Radio podsistem koristi deo opsega na frekvencijama od 900MHz i GMSK modulaciju(postoje i mree koje koriste opsege od 850, 1800 i 1900MHz). Dvosmerna komunikacija jeomoguena podelom na 2 primarna opsega irine 25MHz. Za saobraaj od mobilnogterminala ka baznoj stanici (uplink) koristi se opseg 890 915MHz, dok se za saobraaj od

bazne stanice ka mobilnom terminalu (downlink) 935 960MHz. Ovi opsezi su daljepodeljeni na 124+1 kanala, sa raspoloivom brzinom prenosa podataka od 270,833 kbit/s pokanalu.

Slika 1.2.Prenos podataka kombinovanjem TDMA i FDMA tehnika

Odavde se svaki od kanala deli na osam intervala u vremenskom domenu (timeslots), pase podaci alju i primaju u kratkim vremenskim intervalima (burst) ime je takoeobezbeena i uteda u energiji jer predajnik emituje samo u trenucima kada terminal (bazna


8/54


4

stanica) ima ta da alje. Moe se zapaziti da je prenos podataka izveden kombinacijom dvetehnike TDMA (Time Division Multiple Access) i FDMA (Frequency Division Multiple

Access), odnosno da je kriterijum po kome se pristupa podacima koji se prenose podeljen navremenski i frekventni.

Ureaj koji e u ovom diplomskom radu biti detaljno analiziran svoje primarne funkcijezasniva na servisima koje nudi mobilna, odnosno GSM mrea, tako da e naredno poglavlje

biti posveeno pregledu osnovnih karakteristika ovih servisa, kao i razmatranju funkcijaureaja u domenu ovih servisa.


9/54


5

2. ANALIZA MOGUNOSTI KORIENJA GSM MREA

2.1. Pregled karakteristika servisa GSM mree

Osnovni servisi koji su dostupni u okviru GSM mree, a koji se koriste u industrijskimtelemetrijskim sistemima su: SMS (Short Message Service) servis kratkih poruka, CSD(Circuit Switched Data) servis prenosa podataka sa komutacijom kanala i GPRS - servis

prenosa podataka sa komutacijom paketa. U tekstu koji sledi bie dat pregled osnovnihkarakteristika ovih servisa.

2.1.1. Servis kratkih poruka (SMS)

Servis kratkih poruka je dostupan u skoro svim GSM mreama i omoguava slanjekratkih tekstualnih poruka izmeu mobilnih korisnika. Ovaj servis pod nazivom SMS-PP(Short Message Service Point to Point) treba razlikovati od servisa za slanje kratkihinformacija unutar elije na odeenom geografskom podruiju pod nazivom SMS-CB (Short

Message Service Cell Broadcast).SMS poruke se ne alju direktno, od jednog korisnika ka drugom, ve u razmeni

uestvuje posrednik servisni centar ili SMSC (Short Message Service Centre). On radi poprincipu primi-i-prosledi (store-and-forward) i preuzima na sebe brigu oko poruka, ali ipak negarantuje za njihovu isporuku. Nije retka pojava da i pored "napora" servisnog centra porukaznaajno kasni ili ak nikad ne stigne do odredita.

Duina jedne SMS poruke je odreena osobinama protokola koji se koristi za njenoslanje i iznosi 140 bajtova. U praksi to moe iznositi 160 7-bitnih znakova, 140 8-bitnihznakova ili 70 dvobajtnih znakova kada se koristi UTF-16 (Unicode) kodiranje.

Treba pomenuti i mogunost slanja poruka koje su due od 140 bajtova. One se alju usegmentima kao vie pojedinanih SMS poruka standardne duine. Unutar poruke prenosi se izaglavlje segmenta veliine 6 bajtova, tako da je raspoloiva duina poruke za toliko manja..

SMS servis je izuzetno pogodan za slanje alarmnih poruka, ali i komandi ukoliko onenisu vremenski kritine. Koristiti SMS poruke za upravljanje u regulacionoj petlji nije dobroreenje. Kod ureaja koji treba da rade vie godina, iskljuivo na baterije, kao to su logeri ili

AMR (Automatic Meter Reading) sistemi, SMS je veoma tedljiv i zato se puno koristi. Slanjejedne SMS poruke troi oko 15mWh. To znai da strandardna AA baterija od 3.6V i 2.2Ahima kapacitet za slanje vie od 500 SMS poruka.

2.1.2. Prenos podataka sa komutacijom kanala (CSD)

Prenos podataka sa komutacijom kanala (CSD) u okviru GSM mree obavlja se naslian nain kao i prenos digitalizovanog zvuka (govora). Nakon biranja broja i uspostaveveze, to moe da traje od petnaest sekundi do jedne minute, korisniku se dodeljuje

permanentni kanal sa brzinom od 9600 bit/s. Interesantno je da se veza moe ostvariti na dva


10/54


6

naina, kako izmeu dva mobilna terminala, tako i izmeu mobilnog terminala i modemaprikljuenog na javnu fiksnu telefonsku mreu (PSTN).

Slika 2.1.Dva naina prenosa podataka

Dobra osobina CSD servisa je da je tokom trajanja veze komunikaciona linija stalnodostupna, kanjenja su mala i protok podataka ne zavisi od optereenja GSM mree, jer CSD

ima isti prioritet kao i govorna veza. Mana ovog servisa je to se prenos podataka naplaujeprema trajanju veze, a ne prema koliini prenetih podataka. Takoe, za neke korisnike brzinaod 9600 bit/s nije dovoljna. Treba napomenuti da postoje i mogunosti korienja CSDservisa za vezu prema ISDN-u, kao i da postoji bra verzija, pod imenom HSCSD, koja koristietiri vremenska okvira (slota) i efikasnije kodiranje, ali je korienje ovog unapreenogservisa srazmerno skuplje.

CSD servis je veoma pogodan za periodino prikupljanje ili slanje podataka kada secelokupno trajanje veze koristi za prenos podataka. Za ciklino prozivanje veeg broja ureajaovaj servis nije pogodan jer bi sistem, pored neekonominosti, bio i izuzetno spor zbog dugoguspostavljanja veze.

2.1.3. Prenos podataka sa komutacijom paketa (GPRS)

Prenos podataka sa komutacijom paketa (GPRS) je servis koji je nastao u nameri da sena postojeu GSM mreu dogradi mrea iskljuivo namenjena prenosu podataka. Korienjemkomutacije paketa i uvoenjem novih funkcionalnih elemenata, omogueno je da se iskoristeslobodni resursi i da se u postojeu GSM mreu ugradi veoma efikasan sistem za prenos

podataka. Tako je brzina prenosa viestruko poveana, ali je zavisna od optereenja mree.Primenjen je princip stalne prikljuenosti (always-on) to zajedno sa poveanjem brzineomoguava integraciju Internet tehnologija u mobilne ureaje. Ono to je za korisnike veoma


11/54


7

vano je novi princip tarifiranja po kome se naplauje samo koliina prenesenih podataka, toje veoma pogodno za primenu kod daljinskog upravljanja i nadzora.

Pristupna taka GPRS mrei sa strane korisnika zove se APN (Acess Point Name). JedanAPN je namenjen pristupu Internetu i to je najei nain korienja ovog servisa od veine

korisnika. GPRS mrea prenosi IP saobraaj, a mobilni terminali uglavnom koriste privatnuIP adresu u kombinaciji sa NAT-om (Network Address Translation). Saobraaj uvek polazi odstrane terminala i to je jedini mogui nain korienja u sluaju komunikacije mobilniterminal-Internet. U sluaju dinamike dodele IP adresa, to je uobiajen nain rada, praktino

je neizvodljivo uspostaviti vezu izmeu dva mobilna terminala u mrei. Ovi razlozi ine M2Mkomunikaciju veoma tekom.

Slika 2.2. Struktura GPRS mree

Jedno od moguih reenja je da se na fiksnoj javnoj IP adresi postavi server sa kojimmobilni terminali, preko Internet APN-a, uspostavljaju vezu i koji po odreenoj procedurirutira saobraaj izmeu mobilnih terminala i drugih klijenata. Ovo reenje je posebno

pogodno za prikupljanje podataka sa velikog broja udaljenih ureaja koji se prikljuuju posopstvenom vremenskom rasporedu. To mogu biti data logeri ili RTU (RemoteTerminal Unit)ureaji koji periodino ili na pojavu alarma alju odreene podatke na centralni server.Poseban problem ovakvog reenja je neophodnost stalne i kvalitetne veze servera premaInternetu.

Drugo reenje podrazumeva korienje privatnog APN-a. U ovom sluaju svi mobilniterminali se nalaze u jednoj vrsti privatne mree i ukoliko im se dodele fiksne privatne adrese

bie im omogueno da meusobno uspostavljaju veze i razmenjuju podatke. Ovo je veomajednostavno i kvalitetno reenje.

Jedan od estih problema je daljinsko povezivanje postojeih PC aplikacija i ureaja kojikoriste serijski port preko GPRS mree. Tipian primer je veza PLC-a (Programmable LogicController) i SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) aplikacije. Tehnika kojareava takve situacije se naziva tuneliranje serijskog porta i zasniva se na posebnom


12/54


8

programu za emulaciju virtuelnog serijskog porta koji se instalira na PC raunaru iodgovarajuim GPRS terminalima. Virtuelni serijski port prihvata podatke i usmerava ih krozGPRS mreu na serijski port udaljenog terminala. Isto se deava i u suprotnom smeru. Jedini

problem esto predstavlja veliko kanjenje podataka kroz GPRS mreu. Ovo kanjenje zavisi

od optereenosti mree i uglavnom je reda oko jedne sekunde. Meutim nije iznenaenje akopojedini paketi zakasne i za 15, 30 sekundi pa ak i itav minut.

Dva dominantna transportna protokola koja se koriste u okviru GPRS mree su UDP(User Datagram Protocol) i TCP (Transmission Control Protocol). UDP je protokol iji serad ne zasniva na uspostavljanju logikih konekcija (veza) izmeu strana koje komuniciraju,ve se svaki paket alje nezavisno jedan od drugog. Dobra strana ovog koncepta je brzinaslanja podataka, dok je njegova glavna mana nepostojanje mehanizma retransmisije paketa, pase ovaj mehanizam mora realizovati na aplikativnom nivou. TCP protokol omoguavauspostavljanje logike veze izmeu strana koje komuniciraju, ali ga to ini sporijim zbogvremena koje je potrebno za uspostavljanje i odravanje ove veze, a takoe iziskujeintenzivniju obradu zaglavlja paketa koja se vri u lancu prenosa, i poveava optereenjeureaja koji vre ovu obradu (ruteri), a samim tim i mree, to nije sluaj sa UDP protokolom.Prednost TCP protokola je poveana pouzdanost, i postojanje mehanizma retransmisije

paketa.

Oigledno je da GSM prua znaajne mogunosti u M2M komunikacijama. Bez obzirana niz problema koji postoje, predvia se da e broj ureaja sa ugraenim mobilnimterminalima biti u porastu. Moe se oekivati da e tek mree tree generacije (3G) omoguitikorisnicima da jednostavno i bez veih problema poveu svoje ureaje na udaljenimlokacijama.

2.2. Definisanje funkcija i karakteristika industrijskog GSMReportera

2.2.1. Opis ureaja

Ureaj pod nazivom GSM Reporter je proizvod firme "Decode Data Communications" izBeograda. Ovaj telemetrijski i telekomandni ureaj koristi GSM mreu mobilne telefonije za

prenos komandi, alarma i podataka. Njegove centralne komponenteine Sony Ericsson GR64GSM modul sa ugraenim TCP/IP stekom, i 16-bitni mikrokontroler MSP430F149 firme

Texas Instruments. Ureaj ima 4 digitalna ulaza i 2 relejna izlaza, dok je serijskakomunikacija sa spoljnim okruenjem izvedena preko RS232 interfejsa. Na tampanoj ploicise takoe nalazi i JTAG konektor preko koga se moe obavljati upis podataka u flashmemoriju mikrokontrolera, odnosno programiranje ureaja.

Pored toga to moe da se koristi kao standardni GSM/GPRS terminal, ureaj nudi tridodatne funkcije. Prva funkcija je funkcija SMS javljaa alarma. etiri digitalna ulaza moguda iniciraju slanje SMS poruke na odreeni mobilni broj unapred definisane sadrine. Drugafunkcija odnosi se na na mogunost ukljuenja ili iskljuenja relejnih izlaza slanjem SMS


13/54


9

poruke odreene sadrine sa bilo kog ili odreenog mobilnog broja. Trea funkcija odnosi sena vepomenutu tehniku tuneliranja serijskog porta, kojom se omoguava prenos podataka poindustrijskim protokolima preko GPRS-a i povezivanje udaljenih PLC-ova na SCADAaplikacije.

Slika 2.3.GSM Reporter

2.2.2. GSM Reporter kao standardni GSM terminal utransparentnom reimu

Ulaskom ureaja u transparentni reim, omoguena je direktna komunikacija sa GSMmodulom. U ovom reimu ureaj postaje posrednik izmeu spoljnog ureaja/aplikacije, kojase preko RS232 interfejsa povezuje sa njim, i GSM modula. Tehniki posmatrano, ovaj reim

je izveden softverskim preslikavanjem linija za serijsku komunikaciju, ime je izbegnutohardversko multipleksiranje.

Obzirom na injenicu da u lancu serijskog prenosa podataka od spoljnjeg ureaja kaGSM modulu uestvuju 4 serijska interfejsa sa pripadajuim podeavanjima (brzina prenosa,

provera parnosti, broj bitova, broj stop bitova), neophodno je da softver koji obavljapreslikavanje bude fleksibilan i kompaktan, tj. da obezbedi pouzdan i nesmetan protokpodataka izmeu dve strane koje komunikaciraju, ak i u sluaju da postoje razlike upodeavanjima na krajnjim interfejsima.


14/54


10

Slika 2.4. GSM Reporter u transparentnom reimu

Kao najprostiji primer primene ovog reima moemo uzeti povezivanje ureaja sa PCraunarom preko serijskog porta i slanjem AT komandi iz prozora Windows aplikacijeHyperTerminal ili DOS aplikacije Telix.

2.2.3. Slanje alarma i upravljakih komandi putem SMS poruka

Funkcije slanja alarma i upravljakih komandi putem SMS poruka objedinjene su ujednom od reima u kojem se ovaj ureaj moe nalaziti. U ovom reimu ureaj prati stanje nasva etri digitalna ulaza, i u sluaju promene na nekima od njih moe poslati alarm u formiSMS poruke na unapred zadati broj ili vie brojeva. Brojevi na koje e alarmna poruka biti

poslata, kao i parametri kojima e se ureaj voditi pri praenju stanja na ulazima, mogu seprethodno podesiti slanjem SMS poruke odreenog sadraja ureaju, ili preko RS232interfejsa (putem terminala ili posebne aplikacije za konfigurisanje ureaja na PC raunaru).

U ovom reimu, uporedo sa praenjem ulaza i slanjem alarmnih SMS poruka, ureajmoe i primati SMS poruke. Kada se poruka primi ona se prosleuje softverskom bloku kojiima funkciju komandnog procesora, i tu prolazi kroz vie faza obrade, gde svaku fazu obavlja

poseban segment ovog softverskog bloka. Deo softvera koji prvi vri obradu nad primljenomporukom (parser) ima funkciju da prihvati poruku kao niz ASCII karaktera (string) i ralanije na osnovne izvrne celine. U ovoj fazi se ujedno proverava i sintaksa poruke, odnosno,odbacuju se delovi poruke u kojima sintaksa nije ispotovana. Izvrne celine u kojima jeispotovana sintaksa se prosleuju delu softvera koji ima funkciju da protumai funkcionalnismisao ovih celina (interpreter), a zatim obavi odgovarajue operacije. Tumaenje ovih celina

je zasnovano na prepoznavanju jednog od dva operatora: "?" ili "=". Sintaksa diktira da ovioperatori moraju stajati iskljuivo uz jedan ili dva argumenta, respektivno. Prvi operator imafunkciju oitavanja vrednosti argumenta (promenljive) kome prethodi, dok drugi slui zadodeljivanje vrednosti i to tako da se argument kome se vrednost dodeljuje (promenljiva)


15/54


11

nalazi ispred od operatora, a iza se nalazi argument koji predstavlja vrednost koja se dodeljuje(literal). Izvrne celine su meusobno razdvojene delimiterima, a u ovom sluaju to jekarakter za razmak (0x20).

U sluaju primene operatora oitavanja promenljive logian zakljuak je da morapostojati mogunost slanja povratne informacije. U tom sluaju softver e odgovore, tj.oitane vrednosti, smetati u poseban bafer, koji e se po zavretku obrade primljene SMS

poruke zapakovati u novu SMS poruku, i poslati na broj sa kog je stigla prvobitna poruka.

2.2.4. Prenos podataka po industrijskim protokolima preko GPRS-a

U reimu prenosa podataka po industrijskim protokolima GSM Reporter obezbeujetransparentnu vezu izmeu SCADA aplikacije i udaljenih PLC ureaja u master-slave

poretku. Sutinski, to znai da e sistem funkcionisati kao da su svi ureaji "na ici", odnosnoda obavljaju komunikaciju direktno preko kabla za serijsku komunikaciju, iako se mogunalaziti na razliitim kontinentima. U praksi se javljaju problemi izazvani kanjenjem

podataka, do kojeg dolazi zbog zaguenog saobraaja na GPRS mrei, ali ovi problemi seuglavnom mogu reiti modifikovanjem odreenih parametara na strani SCADA aplikacije iPLC-ova.

U tipinom, korisnikom, sluaju raunar sa aktivnom SCADA aplikacijom povezan jepreko serijskog porta na serijski port GSM Reportera (master ureaj). SCADA komunicira satri udaljena PLC-a, gde je svaki PLC povezan preko svog serijskog porta na serijski port GSMReportera (slave ureaji). Podrazumeva se da svi ureaji imaju SIM kartice kojima su

dodeljene statike IP adrese, odnosno da su u VPN-u. Master ureaj u sebi sadri tabelu sa IPadresama (rutama) sva tri slave ureaja.

Poetna koncepcija rada ureaja u ovom reimu bila je zasnovana na korienjudigitalnih ulaza na master ureaju za izbor rute do slave ureaja. To znai da se postavljanjemodreene kodne kombinacije na digitalnim ulazima master ureaja bira jedna od 15 ruta iztabele. Master ureaj zatim inicira uspostavljanje TCP konekcije sa slave ureajem ija adresa

je izabrana iz tabele, i ukoliko je slave ureaj prethodno postavljen u reim ekanja konekcije,veza biva uspostavljena. Od momenta uspostavljanja veze svi podaci koje SCADA aplikacija

poalje na serijski port master bi prosledio slave ureaju preko GPRS mree, a slave ureaj biih preko svog serijskog interfejsa prosledio PLC jedinici. Isto vai i za podatke koje PLC

jedinica alje SCADA raunaru. U sluaju promene kodne kombinacije na digitalnim ulazimamaster ureaja TCP konekcija biva raskinuta, a potom uspostavljena nova, sa ureajem ijaadresa u tabeli odgovara novoj kombinaciji.

U neto naprednijoj koncepciji, rutiranje se vri dinamiki, to znai da se digitalni ulazine moraju koristiti. U ovom sluaju neophodno je da protokol koji SCADA i PLC jedinicekoriste za komunikaciju podrava adresiranje. To znai da svaka PLC jedinica ima dodeljenu

jedinstvenu adresu preko koje e SCADA komunicirati sa njom. Ove adrese se koriste umestokodne kombinacije na digitalnim ulazima iz prethodno navedene koncepcije, i to tako tomaster ureaj prvo primi ceo podatak (ili komandu) od SCADA raunara i baferuje ga, zatim


16/54


12

obavlja ekstrakciju numerike adrese PLC jedinice, i ukoliko za ekstrahovanu adresu postojiruta u tabeli, kompletan sadraj bafera se, preko GPRS mree, alje slave ureaju na koji je

povezana PLC jedinica. Dolaskom novog podatka na serijski interfejs master ureaja, ceoproces se ponavlja. Transportni protokol koji se koristi za prenos podataka preko GPRS mree

u ovoj postavci je UDP (User Datagram Protocol), i obzirom na to da kod ovog protokola nepostoji uspostavljanje konekcije (logike veze), rutiranje se obavlja znatno bre.


17/54


13

3. PRIKAZ GSM TERMINALA

3.1. Ureaj u celini

Pored ve navedenih centralnih komponenti koje ini mikrokontroler MSP430F149 iGSM modul GR64, u sastavu ureaja nalazi se i nekoliko hardverskih modula (blokova) kojiobezbeuju pouzdan i fleksibilan rad ureaja, kao i komunikaciju sa spoljnim okruenjem.Ove module ine blok za napajanje, ulazno-izlazni blok i RS232 blok. Na slici 3.1. je

prikazana elektrina blok-ema ureaja.

Slika 3.1. Blok ema ureaja

Sa eme se moe videti da serijsku komunikaciju sa RS232 modulom i GSM modulommikrokontroler obavlja preko parova Rx/Tx linija koji su dodeljeni pinovima na portu P3;signalizacija za kontrolu toka podataka se vri preko pinova na portovima P1 i P2,respektivno. Softversko ukljuivanje i iskljuivanje GSM modula se vri preko pina 1 na

portu P3.

Kontrolu para relea koji se nalaze u sklopu ulazno-izlaznog modula mikrokontrolerobavlja preko pinova 0 i 1 na portu P5, dok se oitavanje stanja na etiri digitalna ulazaobavlja preko pinova na portu P4.


18/54


14

Napajanje celog ureaja obavlja modul za napajanje. Na ulaz ovog modula dovodi sejednosmerni napon vrednosti iz opsega 8-30V, da bi se na njegovim izlazima dobili stabilisaninaponi u vrednosti od +3,3V i +4V.

Za svetlosnu signalizaciju koriste se etiri LED diode, od kojih se tri pobuuju prekopinova 0, 2 i 3 na portu P3, dok je jedna pod nezavisnom kontrolom GSM modula, i preko njese signalizira povezanost modula na GSM mreu i aktivnosti na mrei.

Za ve opisane reime i funkcije koje ureaj obavlja, najznaajnija je veza izmeumikrokontrolera i GSM modula, kojom se omoguava serijska, asinhrona, komunikacijaizmeu ove dve komponente, kao i veza izmeu mikrokontrolera i RS232 modula, koja jeostvarena na isti nain. Brzina prenosa podataka preko ovih linija ograniena je maksimalnom

brzinom koju UART moduli mikrokontrolera podravaju, a ona iznosi 115200 bps, to jesasvim dovoljno za obavljanje funkcija ureaja.

Ve je reeno da se u transparentnom reimu komunikacija izmeu spoljnog ureaja,odnosno aplikacije, obavlja preslikavanjem linija za komunikaciju. Ova funkcionalnost jeizvedena softverski, to znai da mikrokontroler igra ulogu posrednika izmeu spoljnogureaja (RS232 modula) i GSM modula. U sluaju da su brzine kojima se podaci prenose

preko ove dve linije usklaene, pored podataka koji se direktno preslikavaju, izvodljivo je idirektno preslikavanje preostalih est linija za signalizaciju (RTS, CTS, DTR, DSR, DCD iRI). Ukoliko se brzine razlikuju, mikrokontroler mora baferisati podatke koji mu stiu na briinterfejs (UART), a zatim ih prosleivati na sporiji interfejs odgovarajuom brzinom. U ovomsluaju preslikavanje linija za signalizaciju mora biti softverski sinhronizovano sa procesom

prosleivanja podataka od jednog interfejsa ka drugom.

U reimu slanja alarma i upravljakih komandi putem SMS poruka mikrokontroler je ustalnoj serijskoj komunikaciji sa GSM modulom. Pored ove komunikacije obavlja se ikontinualno praenje stanja vrednosti na digitalnim ulazima preko linija /IN1, /IN2, /IN3 i/IN4, a u sluaju dodele novih vrednosti odgovarajuim sistemskim parametrima, preko linijaRL1 i RL2 releji se iskljuuju ili ukljuuju, u zavisnosti od dodeljene vrednosti.

U reimu prenosa podataka po industrijskim protokolima model komunikacije izmeumodula je slian modelu transparentnog reima. Razlike su najveim delom izraene usoftveru, jer je, za razliku od transparentnog reima, ovde potrebno vriti analizu podataka(paketa) koji se kreu izmeu serijskih interfejsa. Linije /IN1, /IN2, /IN3 i /IN4 se u sluaju

statikog rutiranja koriste za izbor rute kod master ureaja, a u sluaju dinamikog rutiranjaove linije se koriste samo kod slave ureaja, i to za izbor fiksne rute ka master ureaju.

Ovakvim modelom povezivanja blokova ostvaren je centralizovan sistem, gde su svimoduli pod direktnom kontrolom mikrokontrolera. Time je ostavljena mogunost da seodgovarajuim dizajnom softvera napravi funkcionalan i fleksibilan mehanizam koji ezadovoljiti zahteve koji se stavljaju pred ureaj.


19/54


15

3.2. GR64 - GSM modul

GSM modul sa oznakom GR64 proizvoaa Sony-Ericsson izabran je kao komponenta za

povezivanje na GSM mreu zbog brojnih funkcionalnosti koje nudi, kao i zbog uvekznaajnog povoljnog odnosa izmeu cene i kvaliteta. Posebna pogodnost za primenu kodovog ureaja predstavlja ugraeni TCP/IP stek, to u velikoj meri olakava posao razvojasoftvera za okruenja gde se ovaj modul koristi za povezivanje na GPRS mreu, to ovde i

jeste sluaj. Modul takoe ima mogunost primanja i slanja SMS poruka u tekstualnom i PDUformatu, uspostavljanja govornih i CSD veza, a podrava i brojne standarde za modemskukomunikaciju (V21, V22, V22bis, V23, V26ter, V32, V34 i V24). Serijska komunikacija samodulom obavlja se preko jednog od dva postojea UART interfejsa, a postoji i mogunostserijske komunikacije po USB 2.0 standardu.

Slika 3.2. GSM modul Sony-Ericsson GR64

Modul je zapakovan u metalno kuite, integrisan je na tampanoj ploici dimenzija50x33x3,2 mm i tei oko 9 grama. Na poleini ploice nalazi se nosaSIM kartice i MMCXRF konektor, dok se na prednjoj strani, odmah uz kuite modula, nalazi 60-pinski sistemskikonektor, preko koga se modulu dovodi napajanje i ostvaruje povezivanje sa ureajem.

Napajanje se vri jednosmernim naponom iz opsega 3,2 - 4,5V. Deklarisana snaga se kreeizmeu 1 i 2W (30 dBm za GSM 1900 MHz i 33 dBm za 900 MHz opseg). Deklarisanadozvoljena radna temperatura kree u rasponu od -30 do +75 stepeni celzijusa.

Konfigurisanje i kontrola nad radom modula vri se slanjem AT komandi na jedan odUART interfejsa. Podrane su komande iz Hayes, GSM 27.005, GSM 27.007 grupa, a

proizvoa je ovaj skup proirio implementacijom odreenog broja svojih komandi saprefiksom AT*E.


20/54


16

3.3. MSP430F149 mikrokontroler

Model MSP430F149 pripada MSP430 familiji mikrokontrolera firme Texas Instruments.Ovu familiju karakterie 16-bitna arhitektura sa zajednikom magistralom podataka iadresnom magistralom (von-Neumann arhitektura). ip se napaja naponima iz opsega 1,8 -3,6V, dok deklarisana potronja u aktivnom reimu pri naponu napajanja od 2,2V i taktu od1MHz iznosi 280uA. Pored aktivnog reima postoji i pet reima sa niskom potronjom, toovaj mikrokontroler ini posebno pogodnim za primenu u ureajima koji se napajaju iz

primarnih i sekundarnih izvora elektrine energije.

Pored centralne procesorske jedinice u ijem se sastavu nalazi 16 registara, u 64-pinskomQFP kuitu smeten je i odreen broj periferijskih jedinica. Od jedinica koje su od kljunevanosti za rad sistema izdvajaju se sistemski takt generator, blok programske memorije (60

KB, flash) i blok memorije podataka (2KB, RAM). U ostale periferijske jedinice ubrajaju sehardverski 16x16 mnoa, 12-bitni ADC modul, analogni komparator, dva UART modula (sapodrkom za asinhroni UART i sinhroni SPI reim), dva 16-bitna tajmera i 16-bitni watchdogtajmer. Obzirom na zahteve koji su stavljeni pred ureaj pri njegovom projektovanju, posebnu

pogodnost predstavlja postojanje dva UART modula koji su integrisani na ipu.

Slika 3.3. Interna arhitektura mikrokontrolera MSP430F149

Veza ipa sa spoljnim okruenjem izvedena je preko 6 I/O portova, od kojih svaki sadri8 pinova. Svakom portu je dodeljeno nekoliko 8-bitnih registara pomou kojih se u potpunostimogu kontrolisati stanja pinova i podeavati njihovi reimi rada. Smer (ulazni ili izlazni)

pinova i posebna funkcija koja je pinu dodeljena konfigurie se upisivanjem odreenihvrednosti u odgovarajue registre. Svi pinovi na portovima 1 i 2 imaju mogunost generisanja


21/54


17

interapt signala, pri emu za sve pinove porta 1 postoji samo jedan interapt vektor, dok svakipin porta 2 ima rezervisan zaseban interapt vektor.

Interna arhitektura centralne procesorske jedinice je ortogonalna, to u sluaju instrukcije

koja uzima jedan operand znai da se operand moe pozivati bilo kojim adresnim reimom. Usluaju instrukcije koja uzima dva operanda ova arhitektura omoguava da se svaki operandnezavisno poziva bilo kojim od postojeih adresnih reima. Korisniku je na raspolaganjusedam adresnih reima, a njih ine: registarsko, indeksirano, simboliko, apsolutno,indirektno, indirektno adresiranje sa autoinkrementiranjem, i neposredno adresiranje.

3.4. Mehanika konstrukcija ureaja

tampana ploica GSM Reportera, dimenzija 64x82mm, sa pripadajuim komponentama

smetena je u dvodelno plastino ku

ite. Plo

ica je fiksirana za nosa

plo

ice, na koji se,pomou dve kope, uvruje poklopac ureaja. Centralni deo spoljne strane nosaa ploice

specijalno je profilisan za montau na 35mm DIN inu.

Slika 3.4.tampana ploica i kuite GSM Reportera

Od komponenti i konektora koji su izvedeni sa spoljne strane ureaja na jednoj straninalaze se antenski SMA konektor, dva para LED dioda koji se koriste za svetlosnusignalizaciju, i DB9F konektor za serijsku komunikaciju. Na suprotnoj strani nalazi sekonektor za prikljuenje rastavljivih klema. Konektor sadri dvanaest izvoda od kojih se dvaizvoda koriste za napajanje ureaja, pet izvoda se koristi za digitalne ulaze, etiri za relejne

izlaze, a jedan je rezervisan za proirenje.


22/54


18

Slika 3.5. Raspored izvoda na rastavljivim klemama

3.5. Funkcionalni blokovi ureaja

Na slici 3.1. prikazana je blok-ema ureaja na kojoj se mogu videti veze izmeufunkcionalnih blokova. U narednim odeljcima bie pojedinano analiziran svaki od ovih

blokova.

3.5.1. Blok za napajanje

Glavna funkcija bloka za napajanje je da na svojim izlazima obezbedi stabilizovanenapone od +3,3V i +4V koji su neophodni za rad ostalih modula. Iako nije okarakterisan kao

jedan od centralnih komponenti ureaja, blok za napajanje je veoma bitan jer sve ostalekomponente, u smislu pouzdanog rada, zavise od njega, a samim tim zavisi i pouzdan radureaja u celini.

Na slici 3.6. je prikazana elektrina ema bloka za napajanje. Na ulaz bloka se dovodijednosmerni ili naizmenini napon iz opega 8-30V. Osiguraem F600 kolo se titi od velikihstruja, dok otki dioda D600 ima zadatak da proputa struju samo u dozvoljenom smeru.Zener dioda D601 titi blok od prenapona. CM prigunica L600 potiskuje common-mode

smetnje do kojih moe doi usled indukcije na napojnim vodovima. U uslovima industrijskeeksploatacije, gde je pojava elektromagnetnih smetnji gotovo neizbena, izostavljanjem ove

prigunice stabilan rad ureaja bio bi ugroen.


23/54


19

Slika 3.6. Blok za napajanje

Nakon filtriranja, napon se dovodi na ulaz integrisanog kola TS2596 (IC600). Ovointegrisano kolo je prekidaki naponski regulator sa povratnom spregom koje slui zadobijanje stabilianog napona. Izlazni napon moe biti fiksiran na 3,3V ili 5V, ili moe biti

podesiv, to zavisi od izlazne konfiguracije kola i povratne sprege. otki dioda D602, prigunikalem L601, kondenzatori C606 i C601, i razdelnik napona koga ine otpornici R600 i R601,su komponente koje se, po preporuci prozvoaa, vezuju na nain koji je prikazan na emi,kako bi se na izlazu dobio potrebni napon od +4V. Imajui u vidu da se ovaj napon

prvenstveno koristi za napajanje GSM modula, koji u impulsnom reimu moe povui strujuvrne vrednosti do 2050mA, paralelno sa kondenzatorom C601 vezana su dodatna tri

kondenzatora zbirnog kapaciteta 300uF, koji slue za akumuliranje energije. Vezivanje vieparalelnih kondenzatora umesto jednog sa identinom zbirnom vrednou kapacitivnostiizvedeno je radi redukovanja parazitivne induktivnosti ija pojava je naroito nepoeljna naizlazu prekidakih naponskih regulatora.

Ovako dobijeni stabilisani napon se preko otpornika R602 i kondenzatora C607 dovodina ulaz integrisanog kola TS2951 (IC601). Ovo integrisano kolo je linearni naponski regulatorsa povratnom spregom, koji se za potrebe dobijanja stabilisanog napona od +3,3V povezujena nain koji je prikazan na emi. Po preporuci proizvoaa, osim izlaznog kondenzatoraC608, nije bilo neophodno dodavati druge eksterne komponente. Ovaj napon se prevashodnokoristi za napajanje mikrokontrolera i interfejsa za serijsku komunikaciju.

3.5.2. Mikroprocesorski blok

Centralnu komponentu mikroprocesorskog bloka, a ujedno i celokupnog ureaja inimikrokontroler MSP430F149. Pored integrisanog kola mikrokontrolera, blok sadri i nekolikokomponenti i veza koje su karakteristine za njegovo blisko okruenje. emamikroprocesorskog bloka prikazana je na slici 3.7.


24/54


20

Slika 3.7.Mikroprocesorski blok

Sa stepena za napajanje se dovodi napon od 3,3V, koji se filtrira preko otpornika R301 ikondenzatora C301. Ovaj napon se dalje vodi na pinove DVCC i AVCC, preko kojih senapajaju digitalni i analogni podsklopovi mikrokontrolera, respektivno. On se takoe koristi iza dranje pina RST/NMI na viskom logikom nivou. Dovoenjem niskog logikog nivoa naovaj pin se resetuje mikrokontroler. Resetovanje se moe obaviti preko kratkospojnikaJMP300 ili pomou signala RESET. Ovaj signal se dovodi sa stepena za napajanje, i njegagenerie jedan od naponskih regulatora koji se nalazi u sastavu tog sklopa. Signal se generieiskljuivo usled nestabilnog napajanja, tako da korisnik (programer) nema direktnu kontrolunad ovim signalom.


25/54


21

Kvarcni kristal koji se koristi za generisanje takt signala povezan je na pinove XIN i

XOUT/TCLK. Rezonantna uestanost kristala je 4,9152MHz, i po preporuci proizvoaanjegovi izvodi su vezani na masu preko kondenzatora C302 i C303 ije su vrednosti

kapaciteta identine i iznose 12pF.

3.5.3. Serijski interfejs RS232

Ovaj funkcionalni blok omoguava serijsku komunikaciju izmeu mikrokontrolera ispoljnog okruenja ureaja. Osnovni zadatak ovog bloka je da vri kontinualnu dvosmernukonverziju naponskih nivoa kojim se reprezentuju logika stanja. ema bloka serijskoginterfejsa je prikazana na slici 3.8.

Slika 3.8. Blok serijskog interfejsa

Centralnu komponentu ovog bloka ini integrisano kolo SP3238E. Na emi se moevideti da su pinovi kola T1-T5 OUT i R1-R3 OUT povezani direktno na standardni enskiDB9F konektor. Ovim pinovima prenose se podaci i kontrolni signali izmeu terminala koji je

povezan na konektor i integrisanog kola. Komunikacija na ovoj strani integrisanog kola seobavlja po RS232 standardu, to znai da naponski nivoi kojima se predstavljaju logikastanja uzimaju vrednosti iz opsega od +5V do +15V i -5V do -15V. Sa druge straneintegrisanog kola nalaze se pinovi T1-T5 IN i R1-R3 OUT koji su direktno povezani naodgovarajue pinove mikrokontrolera.


26/54


22

Integrisano kolo SP3238E je proizvod firme Sipex i ima ulogu konvertora RS232 signala.Ovo kolo se napaja naponima iz opsega od +3,0V do +5,5V. Interna arhitektura sakapacitivnim pumpama omoguava ovom integrisanom kolu da u potpunosti ispuni uslovekoje nalae RS232 standard kada je u pitanju stabilnost naponskih nivoa. Dva para pinova

C1 i C2 ine eksterni deo podsklopova kapacitivnih pumpi i po specifikacijamaproizvoaa, za napon napajanja kola od +3,3V, na ove pinove se vezuju kondenzatori ijakapacitivnost iznosi 0,1F. PinoviV se vezuju na masu preko kondenzatora, i po preporuci

proizvoaa njihova kapacitivnost bi takoe trebala da iznosi 0,1F. Ovaj par pinovapredstavlja izvode podsklopa kapacitivnih pumpi na kojima se dobijaju regulisani naponi od5,5V, pomou kojih se predstavljaju logika stanja na RS232 interfejsu.

Naponski nivoi signala sa strane RS232 interfejsa konvertuju se u nivoe koji sukompatiblni sa TTL/CMOS specifikacijom. To znai da se validni signali koji stiu na ulazne

pinove RS232 interfejsa (R1-R3 IN) i koji reprezentuju visoko logiko stanje (opseg od -15Vdo -1,2V), na pinovima TTL/CMOS interfejsa (R1-R3 OUT) biti prevedeni u vrednost izopsega od 2,4V do 5V, dok e signali koji reprezentuju nisko logiko stanje (opseg od +1,2Vdo +15V) biti prevedeni u vrednost iz opsega od 0V do 0,8V. Tana vrednost izlaznog naponana TTL/CMOS interfejsu zavisi od napona kojim se kolo napaja (VCC).

Signali koji dolaze na pinove TTL/CMOS interfejsa (T1-T5 IN) a koji uzimaju vrednostiiz opsega od 0V do 0,8V se interpretiraju kao nisko logiko stanje i prevode se u naponskinivo koji e na pinovima RS232 interfejsa (T1-T5 OUT) imati vrednost iz opsega od 5V do5,5V; signali koji uzimaju vrednost iz opsega od 2,4V do 5V interpretiraju se kao visokologiko stanje i prevode se u naponski nivo koji e na pinovima RS232 interfejsa imativrednost iz opsega od -5,5V do -5V.

Pored navedenih osnovnih karakteristika, ovo integrisano kolo poseduje podsklop kojiima funkciju smanjenja potronje na nivou celog integrisanog kola. Ovoj funkciji se pristupapreko pinova SHUTDOWN i ONLINE. Smanjenje potronje se postie tako to se u sluajuodsustva validnih signala na RS232 interfejsu iskljuuju podsklopovi integrisanog kola koji sene koriste (ukljuujui i podsklop kapacitivne pumpe), tako da se ukupna potronja kola svodina oko 1A.


27/54


23

3.5.4. Blok GSM modula

Blok GSM modula se sastoji od Sony-Ericsson GR64 GSM modula i nekoliko dodatnihkomponenti neophodnih za njegov rad. ema ovog bloka prikazana je na slici 3.9.

Slika 3.9. Blok GSM modula

GSM modul se napaja sa dva napona +3,3V i +4V. Napon od +4V se koristi kao glavniizvor napajanja, i sa njim se napajaju podsklopovi modula iji je udeo u ukupnoj potronjinajvei (radio link). Ovaj napon se dovodi na VCC pinove (obzirom na relativno visoke vrnevrednosti struja koje modul povlai sa ovog izvora pri predaji, broj pinova je povean kako bise izbeglo strujno preoptereenje internih napojnih veza u modulu i spoljnih veza natampanoj ploici). Napon od +3,3V se dovodi na VIO pin. U korienoj verziji modula ovaj

pin se koristi za dovoenje referentnog napona kojim se usklauju naponski nivoi I/O


28/54


24

podsklopova modula i eksterne aplikacije, odnosno okruenja (u ovom sluajumikrokontrolera). Oba ova napona se filtriraju preko kondenzatora kapacitivnosti 100nF.

Pin ON/OFF se koristi za sekvencijalno ukljuivanje modula, i on se pobuuje prekoNPN tranzistora koji ima ulogu invertora. Isti tip tranzistora se koristi i za pobudu LED dioda

LD200 i LD201. LED diodu sa oznakom GSM pobuuje modul, i preko nje se dobijaindikacija stanja u kome se modul nalazi, dok je LED dioda sa oznakom ON pod kontrolomizlaznog pina mikrokontrolera. Kratkospojnik J200 se koristi za dovoenja pina SERVICE uvisoko logiko stanje, ime se omoguava reprogramiranje GSM modula, odnosno

prebacivanje novog firmvera u njegovu flash memoriju.Preostali neiskorieni pinovi modula se po preporuci proizvoaa vezuju na masu ili

naponski izvor VIO.

3.5.5. Ulazno-izlazni blok

Ulazno-izlazni blok se sastoji iz ulaznog podsklopa kojeg ine etiri optokaplerskispregnuta digitalna ulaza, i izlaznog podsklopa u iji sastav ulaze dva relea sa pobudnimtranzistorima. ema ovog bloka moe se videti na slici 3.10.

Slika 3.10.Ulazno-izlazni blok

Obzirom na injenicu da je ureaj predvien za rad u industrijskom okruenju, da bi seotklonila mogunost nastanka eventualnih trajnih oteenja na ulaznim portovimamikrokontrolera usled jakih smetnji ili razlika u potencijalima masa, digitalni ulazi ijimizvodima se pristupa preko klema (izvodi IN1 IN4, i zajednika masa IN-C), galvanski su


29/54


25

razdvojeni od ulaznih pinova mikrokontrolera (izvodi /IN1 - /IN4 vezuju se direktno napinove mikrokontrolera). Ovo razdvajanje je izvedeno pomou integrisanog kola optokaplera PC357NTJ000F. Ovo kolo, pored uloge galvanskog razdvajanja, sa nekoliko dodatnihkomponenti obavlja ulogu invertora i svojevrsnog konvertora naponskih nivoa. Vrednosti

napona iz opsega od 0V do 4V, koji se dovode na digitalni ulaz, nee izazivati pobudu koja bitranzistorski izlaz optokaplera dovela u zasienje, tako da se vrednosti iz ovog opsegainterpretiraju kao visoko logiko stanje (tranzistor je blokiran, a kolektor preko pull-upotpornika vezan za naponski izvor vrednosti 3,3V). Naponi na digitalnim ulazima koji su veiod +5V izazivaju dovoljno veliku pobudu preko interne IR LED diode optokaplera, tako dase foto-osetljivi tranzistor direktno polarizuje i ulazi u zasienje.

Parovi izvoda RL1-C i RL1-NO, i RL2-C i RL2-NO predstavljaju prikljuke izlaznogpodsklopa, kojima se takoe pristupa preko klema. Galvanska veza izmeu izvoda parova seuspostavlja i raskida pomou JV055KT relea. Maksimalna deklarisana struja koju ovaj releuspostavlja i raskida iznosi 5A dok je maksimalni dozovljeni napon 250VAC/150VDC.Ukljuivanje i iskljuivanje releja kontrolie se signalima RL1 i RL2, koji se alju sa pinovamikrokontrolera. Ovi signali se ne koriste za direktnu pobudu relea, ve se pomou njih

pobuuje tranzistor DTC114YKA koji koristi naponski izvor od 4V. Usled iskljuivanjareleja, odnosno prekidanja strujnog kruga, magnetna energija akumulirana u pobudnomkalemu relea izaziva indukovanu struju i pojavu prenapona na kolektoru tranzistora. Vrednostiovog prenapona mogu biti dosta velike i mogu dovesti do trajnog oteenja tranzistora, pa jena kontrolne izvode relea paralelno vezana dioda TS4148 koja ima ulogu da obezbedi putindukovanoj struji i tako zatiti tranzistor.


30/54


26

4. OPIS FUNKCIJA SOFTVERA

4.1. Opis najznaajnijih funkcionalnih celina softveraPri izradi softvera za GSM Reporter korieno je razvojno okruenje IAR Embedded

Workbench. U okruenju su integrisane osnovne komponente za razvoj softvera, u koje seubrajaju asembler, C/C++ kompajler, linker, debager, kao i brojni pomoni alati. Kompajler,asembler i linker koji dolaze uz ovu verziju razvojnog okruenja optimizovani su za

prevoenje izvornog koda u objektni kod koji je kompatibilan sa arhitekturommikrokontrolera familije MSP430, u koju spada i korieni model MSP430F149.

Softver je pisan u ANSI C jeziku pri emu su koriene neke od standardnih C bibliotekai heder datoteka. Pored velikog broja napisanih korisnikih funkcija, izvestan broj standardnih

funkcija za koje postoji izvorni kd su modifikovane kako bi bile prilagoenije potrebamakoje su se javljale tokom izrade softvera.

U narednim pasusima bie analizirana softverska realizacija ranije pomenuta tri reima(transparentni reim, SMS reim i GPRS reim) u kojima se ureaj moe nalaziti. Prethodnotreba napomenuti da su, zbog specifinih tehnikih i trinih razloga, napisane dve verzijesoftvera jedna koja je optimizovana za SMS reim, i druga koja odgovara potrebama

prenosa podataka u GPRS reimu. Transparentni reim se za sada ne koristi kao zasebni inezavisni reim, ve kao usluni koncept koji je implementiran u obe verzije softvera. U

planu je da se verzije u budunosti objedine u jednu celovitu i fleksibilnu verziju koja emaksimalno iskoristiti potencijale ureaja.

Pre detaljnije analize softverske realizacije pomenutih reima treba razmotriti nekolikosistemskih i korisnikih mehanizama koji su od kljunog znaaja za rad sistema u celini. Uove mehanizme se ubrajaju sistem krunih bafera za prijem i slanje podataka preko UARTinterfejsa mikrokontrolera, I/O procesor, komandni procesor sa pripadajuim setom podesivih

parametara.

4.1.1. Kruni bafer

U situacijama kada je potrebno primiti vie bajtova podataka sa UART interfejsa prenego to se zapone obrada nad njima, ili kada je, iz odreenih razloga, nemogue zapoetiobradu primljenih podataka pre pristizanja novih na interfejs, neophodno je postojanje baferau koji e se bajtovi podataka sukcesivno smetati pre nego to budu obraeni. MikrokontrolerMSP430F149 poseduje po jedan 8-bitni prijemni i predajni registar pridruen UART-ima, toznai da je u mogunosti da sauva samo jedan primljeni bajt podatka do dolaska novog bajtana interfejs. To znai da e prvi bajt biti prebrisan sa novim, a samim tim i izgubljen ukoliko

pre dolaska novog nije oitan i smeten u bafer.

Prijemni kruni bafer je realizovan statikim alociranjem odreene koliine RAMmemorije mikrokontrolera. Ova memorija je alocirana deklarisanjem niza podataka RXBuffer


31/54


27

tipachar, a niz je ubaen u strukturu podataka, koja pored ovog niza sadri i neke sistemskepodatke. Najbitniji za sm mehanizam upisa i oitavanja bafera jesu brojaiRXHeadiRXTail,i njihove vrednosti predstavljaju pozicije u nizu na koji e se upisati sledei primljeni bajt iodakle e se oitati prvi sledei neproitani bajt, respektivno. Po prijemu bajta na UART

interfejs aktivira se interapt fleg i program odlazi u ISR (Interrupt Service Routine). U ovojrutini vri se prebacivanje bajta iz prijemnog registra UART interfejsa u nizRXBuffer, i to na

poziciju koja je odreena vrednou brojaaRXHead, nakon ega se ovaj brojainkrementiratako da njegova vrednost predstavlja lokaciju u nizu u koju e biti upisan sledei primljeni

bajt.Oitavanje iz krunog bafera se izvrava pozivanjem funkcije ReadRXChar(bool uart,

boolempty), gde se argumentom uart funkciji stavlja do znanja sa kog UART interfejsa seita podatak (postoje dva UART interfejsa, koji su oznaeni sa 0 i 1, tj. simbolikimkonstantama TERMINAL i MODEM). Funkcija ima zadatak da oita bajt sa pozicije u nizukoja je odreena vrednou brojaaRXTail, inkrementira broja(ukoliko se argumentu emptydodeli vrednost 0 brojase nee inkrementirati, tako da e nastaviti da pokazuje na lokaciju

bajta koji je veoitan), i vrati vrednost oitanog bajta.Sutina ovog koncepta se sastoji u tome da se brojaRXHeadresetuje na 0 kada njegova

vrednost postane vea od alocirane veliine niza, tako da opet pokazuje na poetak niza. Istastvar se deava i sa brojaemRXTailkoji oznaava lokaciju prvog neproitanog bajta. Na tajnain je obezbeen princip kontinualnog upisivanja i oitavanja bafera, bez potrebe da se vodirauna o tome na koju se lokaciju upisuje svaki primljeni bajt podataka, i da li se priupisivanju prekoraila granina adresa bafera. Meutim, koliina podataka koju bafer moe

primiti je ograniena, tako da je, u sluaju intenzivnog prijema podataka, potrebno estooitavati bafer, kako bi se izbeglo prepisivanje preko neproitanih bajtova podataka (bufferoverrun). Ukoliko do ovakve situacije ipak doe, prepisivanje e biti spreeno, bajt za koji

nema mesta u baferu bie smeten u promenljivu truncate, a brojaRXBytesDroppede seinkrementirati.

Za predajni kruni bafer alocirana je RAM memorija u formi niza TXBuffer. Principoitavanja i upisivanja u predajni kruni bafer je slian prethodno opisanom za prijemni bafer.Ovde se upisivanje podataka obavlja pozivanjem funkcije _SendToUart(bool uart, char*data), gde se argumentom uart funkciji stavlja do znanja na koji UART interfejs se alju

podaci, dok se pokazivaem data funkciji prosleuje memorijska lokacija poetka niza kojisadri podatke za slanje. Za razliku od ISR mehanizma za prijem podataka, gde se se interaptfleg generie pri prijemu novog bajta podatka (brie se automatski prilikom oitavanja

prijemnog registra), ISR mehanizam za slanje podataka funkcionie tako to se interapt fleg

generie kada je registar spreman da primi novi bajt za slanje. Obzirom da se podaci ne aljuneprekidno, ulaskom u ISR kada u predajnom krunom baferu nema podataka za slanjeinterapt fleg e biti obrisan (automatski se brie ulaskom u ISR rutinu), ali kako u predajniregistar nije upisan bajt za slanje interapt fleg se nakon izlaska iz ISR-a vie nee generisati.Ovaj problem je reen tako to je u prethodno pomenutoj funkciji dodat deo koda koji, nakonupisivanja podataka u niz TXBuffer, prinudno prebacuje prvi neposlati bajt iz niza u predajniregistar, i tako omoguava generisanje interapt flega nakon slanja ovog bajta, tj. sve dok se

podaci koji su upisani u niz ne poalju.Treba napomenuti da je kod predajnog krunog bafera u potpunosti iskljuen problem

prepisivanja neposlatih podataka, i to na taj nain to se u funkciji _SendToUartpre svakogupisa podataka u niz TXBuffer proverava njegova popunjenost. Ukoliko je niz popunjen


32/54


28

aktivira se GIE bit (Global Interrupt Enable - ovim bitom se dozvoljavaju ili zabranjujuinterapt skokovi na globalnom nivou), i program se vrti u whilepetlji u kojoj se proverava

popunjenost niza. Kako su interapt skokovi dozvoljeni, niz e se kroz ISR prazniti, tako da eu odreenom trenutku (kada se popunjenost niza spusti ispod date granice) program izai iz

whilepetlje i nastaviti sa popunjavanjem niza TXBuffer.

4.1.2. I/O procesor

I/O procesor je softverski modul ija je primarna namena filtriranje signala koji sedovode na digitalne ulaze ureaja. Filtriranje je vremenskog karaktera, i vri se tako to selogika stanja na fizikim ulazima po histerezisnom principu preslikavaju u bit-promenljivekoje su pridruene ulazima. Preslikavanje se vri u zavisnosti od kumulativne duine intervalatokom kojeg je odreeno logiko stanje prisutno na ulazu. Na slici 4.1. je prikazan vremenski

dijagram sa principom histerezisnog filtriranja.

Slika 4.1. Vremenski dijagram sa principom histerezisnog filtriranja

Za svaki ulaz rezervisan je po jedan 16-bitni broja, kao i dva 16-bitna registra sapodesivim korisnikim parametrima Ix.FL i Ix.FH (na slici obeleeni sa THi TL). Softverskimodul I/O procesora je integrisan u ISR rutinu za tajmer A0, dok je tajmer A0 podeen dagenerie interapt fleg na svakih 10ms. Pri svakoj obradi interapta proverava se stanje na ulazu,i ukoliko je fiziki ulaz na visokom logikom nivou brojakoji je pridruen ovom ulazu se


33/54


29

inkrementira, dok se u sluaju niskog logikog stanja na ulazu broja dekrementira. Kadavrednost brojaa premai vrednost parametra TH, bit-promenljiva koja je pridruena ovomulazu se setuje, a u registar brojaa se upisuje vrednost TMAX(za 16-bitni registar ova vrednostiznosi 0xFFFF, odnosno 65535) i onemoguava se dalje inkrementiranje. U sluaju prelaska

ulaza na nisko logiko stanje brojae poeti da se dekrementira prilikom obrade interapta, aukoliko se vrednost brojaa spusti ispod vrednosti TMAX - TL, bit-promenljiva koja je

pridruena ulazu e se resetovati, a u registar brojaa se upisuje 0 i onemoguava se daljedekrementiranje.

4.1.3. Komandni procesor

Komandni procesor je softverski modul iji je osnovni zadatak da obezbedi korisnikuspregu sa ureajem. Ova sprega podrazumeva mogunost podeavanja osnovnih parametara

ureaja, kao i izvravanje odre

enog skupa komandi. Sm mehanizam rada komandnogprocesora velikim delom se oslanja na strukturnu hijerarhiju koja je primenjena u organizaciji

podataka, tako da je pre analize rada samog komandnog procesora potrebno napraviti kratakpregled korisnikih parametara i nain na koji su organizovani u memoriji mikrokontrolera.Pregled korisnikih parametara dat je u tabelama na slici 4.2.


34/54


30

Parameter Description

I Input namespaceIx.S Inputx stateIx.N Inputx.Name

Ix.C CounterxvalueIx.CT CounterxTresholdIx.FL Digital InputxFilter LowIx.FH Digital InputxFilter HighIx.MH Message for inputxHighIx.ML Message for inputxLowIx.MC Message forxCounter th.Ix.W Wait between messagesIx.Dn InputxDestination n


S SMS namespaceS.P SMS PeriodS.SE SMS Security EnabledS.SM SMS Silent Mode

S.Sx SMS Subscriber listS.Sx.N SMS Subscriber NumberS.Sx.PE SMS Subscriber Periodical

message Enabled

Parameter DescriptionO Output namespaceOx.S OutputxstateOx.N OutputxNameOx.P OutputxPulse Duration

Parameter DescriptionG GPRS namespaceG.APN GPRS APNG.DC GPRS Default ConnectionG.CP GPRS Connect on Power ONG.CS GPRSConnection StringG.C GPRS Connect command

Gx GPRS location listGx.LN GPRS Location NameGx.A GPRS AddressGx.P GPRS PortGx.CT GPRS Connection Type

Gx.SC GPRS Server ClientGx.D GPRS Disconnect commandGx.C GPRS Connect command


M Module namespaceM.N Module NameM.ID Module Identification stringM.UT Module Up Time

Slika 4.2. Tabele sa korisnikim parametrima rasporeenim u imenske domene

Kompletan set parametara je rasporeen u imenske domene, tako da svaki domen sadriparametre koji se odnose na odreenu oblast rada ureaja. Pored pojedinanih parametara, usastavu domena mogu se nai indeksirani parametri i imenski poddomeni, dok domeni i

poddomeni takoe mogu biti indeksirani. Korisnika sintaksa je prilagoena ovakvom sistemuorganizacije podataka i ona nalae da se parametrima pristupa kombinovanim pozivom imenadomena (ili vie njih, ukoliko se parametar nalazi u poddomenu) i imena parametra, koji surazdvojeni takom. Nain na koji je ovakva organizacija softverski realizovana moe se videtina slici 4.3.


35/54


31

Slika 4.3. Hijerarhijska organizacija parametara

Sa dijagrama se moe videti da je svakom parametru na apstraktnom nivou pridruena pojedna struktura tipaParameterContainer. Osnovni elementi ove strukture kada je pristupanjeparametrima u pitanju jesu pokazivana niz karakterapar_name, koji sadri ime parametra, i


36/54


32

pokazivadata_ptr, koji sadri adresu lokacije u flash memoriji na kojoj se sm parametarnalazi. Ova dva elementa, kao i ostali elementi koji pripadaju parametarskoj strukturi, koristese od strane softverskog modula komandnog procesora pri pristupanju parametrima(oitavanje ili upis). S obzirom na okolnost da se podaci koji ine jedan parametar smetaju u

flash memoriju, i da ih nije mogue direktno, tj. fundamentalnim mehanizmima korienogprogramskog jezika upisivati u nju, kao to je to sluaj sa podacima koji se smetaju u RAMmemoriju (za upis podataka u flash memoriju koristi se interni flash programator, a na nivousoftvera mora se implementirati posebna rutina), bilo je neophodno proiriti strukturu sa ovimdodatnim elementima, kako bi komandni procesor dobio dovoljno informacija prilikomoitavanja podataka, a posebno prilikom njihovog upisivanja u flash memoriju. Pored ve

pomenutog pokazivaa data_ptrkoji se koristi za lociranje podataka u flash memoriji, vanuulogu ima i element par_type kojim se definie tip podatka koji predstavlja parametar.Elementom restrictse komandni procesor obavetava o eventualnim ogranienjima po pitanjuoitavanja, upisa, ili brisanja parametra. Element def_ptrje komplementarni pokazivakoji sekoristi prilikom inicijalizacije sistema, kao i u sluaju brisanja parametara koji moraju imatineku definisanu vrednost (npr. u sluaju brisanja parametra na iju lokaciju pokazuje

pokazivadata_ptr, komandni procesor e proveriti da li pokazivadef_ptrpokazuje na nekidefinisani tip podatka, i ukoliko je tako ova vrednost e biti upisana na lokaciju na koju

pokazuje data_ptr). Pretposlednji u nizu elemenata strukture ParameterContainer jepokazivana pozivnu funkciju func_caller, koja kao argument uzima pokazivana novu uslunu funkciju. Ovim, naizgled komplikovanim, ali fleksibilnim metodom, omogueno jeda se svakom parametru, nezavisno, dodeli pokazivaka svojoj uslunoj funkciji, koja moeizvriti itav niz predradnji prilikom pristupanja parametru, ukoliko je to potrebno.

Struktura tipaNamespaceContainerje hijerarhijska struktura koja na apstraktnom nivou

obrazuje imenske domene i poddomene, i koja sadri nekoliko elemenata. Ovi elementipredstavljaju osnovu organizacione eme i logikog rasporeda parametara u flash memorijimikrokontrolera. Element ns_name predstavlja ime domena, kojim je domen jedinstvenoimenovan, tako da ne mogu postojati dva domena sa istim imenom. Element subns_ptr je

pokazivakoji pokazuje na strukturu poddomena. Poto je i struktura poddomena takoe tipaNamespaceContainer, na ovaj nain je obrazovana povezana lista struktura kroz kojukomandni procesor moe prolaziti sledei subns_ptr pokazivae. Sa druge strane, elementindex_arrays[17] predstavlja niz sainjen od 17 pokazivaa na strukture tipa

ParameterContainer koji, slino prethodno opisanom listama strukura imenskih domena,formiraju liste parametarskih struktura, jer se u sastavu ovih struktura nalazi elementnextpar_ptr, koji predstavlja pokaziva na tip strukture ParameterContainer. Pokaziva

numerisan nultim indeksom u nizu (index_arrays[0]) formira listu parametara saneindeksiranim domenom u koju se uvruju neredudantni parametri (npr. G.APN, G.CS isl.), dok pokazivai sa indeksima od 1 do 17 formiraju liste parametara sa indeksiranimdomenom (npr. G1.LN, G2.LN, G6.A i sl.).

Da bi pristupio traenom parametru komandni procesor koristi pomonu funkcijufind_par_ptr(char* start_ptr,char* end_ptr). Ova funkcija nakon obrade ulaznog niza ASCIIkaraktera, iji je poetak i kraj odreen argumentimastart_ptri end_ptrkoje funkcija uzima(pokazivai), vraa pokaziva na strukturu traenog parametra, naravno ukoliko takav

parametar postoji. Ovaj pokaziva komandni procesor potom moe iskoristiti kako bipristupio elementima parametarske strukture i samom parametru. Pod pretpostavkom da je


37/54


33

ulazni niz ASCII karaktera I1.FL, funkcija e prvo utvrditi koliko taaka ima u nizu. U ovomsluaju postoji samo jedna taka, to znai da bi traeni parametar trebao da se nalazi u okviruglavnog imenskog domena. Zatim e se izvriti obrada ulaznog niza karaktera levo od take.Slovni deo ovog niza (karakter I) predstavlja ime domena, tako da e funkcija zapoeti

uporeivanje ovog karaktera sa karakterima na koje upuuju pokazivai ns_nameiz sastavapostojeih NamespaceContainerstruktura. Po pronalaenju traene strukture, funkcija uzimanumeriki deo ulaznog niza (indeks 1) i proverava da li pronaeni domen sadri parametresa indeksiranim domenom (element indexed), i da li za numeriki deo postoji lista. Unavedenom sluaju lista e biti pronaena sa poetkom koji definie pokazivaindex_arrays[1] . Funkcija e zatim obraditi deo ulaznog niza desno od take (niz karakteraFL), i kako bi ovaj niz karaktera trebao da predstavlja ime parametra, funkcija e poeti dauporeuje ovaj niz sa nizovima karaktera na koji upuuju pokazivai par_name iz sastavastruktura ParameterContainer, prolazei kroz listu koja poinje sa pokazivaemindex_arrays[1] . Kada je parametarska struktura pronaena, funkcija e vratiti komandnom

procesoru pokazivana ovu strukturu, i time je proces pronalaenja parametra zavren.

4.2. Transparentni reim

Kao to je ve reeno, transparentni reim se ne koristi kao zaseban reim, ve jeimplementiran kao koncept koji se koristi u okviru SMS i GPRS reima. U oba pomenutareima ovaj koncept omoguava kontinualno prosleivanje podataka sa UART interfejsamikrokontrolera povezanog na RS232 interfejs na UART interfejs koji je povezan na GSMmodul, i obratno. Mehanizam dvosmernog prosleivanja je jednostavan, a algoritam koji gaopisuje prikazan je na slici 4.4.

Pri softverskoj realizaciji blokova algoritma korieni su elementi struktura pridruenihkrunim baferima, a sm proces prosleivanja podataka se obavlja pomou dve vepomenutefunkcije -ReadRXChar(booluart,boolempty)i SendTXChar(booluart). Program se izvravau zatvorenoj petlji, i to tako to se najpre proverava stanje prijemnog bafera pridruenoginterfejsu UART0. Ukoliko u prijemnom baferu ima neproitanih bajtova, oni se oitavaju iupisuju u predajni bafer koji je pridruen interfejsu UART1. Ukoliko u prijemnom baferuinterfejsa UART0 nema neproitanih bajtova, prelazi se na proveru stanja prijemnog baferainterfejsa UART1, i ako u njemu ima neproitanih bajtova oni se oitavaju i upisuju u

predajni bafer interfejsa UART0. Bajtovi upisani u predajne bafere oba interfejsamikrokontrolera se dalje autonomno alju preko serijskih linija ka RS232 interfejsu i

serijskom interfejsu GSM modula (posredstvom ISR mehanizma).

Konkretan primer primene transparentnog reima moe se nai u obe verzije softvera (zaGPRS i SMS reim), gde se nakon inicijalizacije osnovnih sistemskih modula (takt-generator,UART interfejsi, tajmer) i ukljuivanja GSM modula, korisniku daje mogunost da slanjemodreenog stringa preko RS232 interfejsa prebaci ureaj u transparentni reim. Prebacivanjemureaja u transparentni reim ostvaren je direktan pristup GSM modulu preko RS232interfejsa, a samim tim i u servisni mod iz koga je mogue slati AT komande modulu i

podeavati njegove parametre.


38/54


34

Slika 4.4. Algoritam dvosmernog prosleivanja podataka

4.3. SMS reim

Kao to je ve ranije reeno, u SMS reimu ureaj moe slati alarmne SMS poruke nazadate brojeve pri promeni stanja na ulazima, primati poruke sa izvrnim sadrajem i slati

periodine SMS poruke sa izvetajem o stanju ulaza i izlaza na zadate brojeve. Rad ureaja sekontrolie podeavanjem parametara, a podeavanje se moe obavljati slanjem stringova

preko RS232 interfejsa ili putem SMS poruka. Na slici 4.5. je prikazan pojednostavljenialgoritamski dijagram toka programa u SMS reimu.


39/54


35

Slika 4.5. Algoritam toka programa u SMS reimu

Po ukljuenju ureaja program zapoinje sa inicijalizacijom modula takt generatora ipinova mikrokontrolera. Pinovima se, upisom odreenih vrednosti u odgovarajue registre,


40/54


36

odreuje smer ili dodeljuje posebna funkcija (linije za serijski prenos pridruene UARTinterfejsima), i definiu inicijalna stanja izlaznih pinova. Takt generator je hardverskikonfigurisan da ostalim modulima mikrokontrolera nakon reseta distribuira takt signal saintegrisanog digitalnog oscilatora, tako da se mora softverski rekonfigurisati kako bi se za

generisanje glavnog takt signala iskoristio eksterni kristal kvarca sa rezonatnom uestanouod 4,9152 MHz. Sledei korak je inicijalizacija osnovnih sistemskih promenljivih i

povezivanje parametarskih struktura i struktura imenskih domena u hijerahijski poredak kojije ranije opisan. Nakon ovog koraka sledi inicijalizacija oba UART interfejsa sapodeavanjima 9600-8-N-1 (brzina u bps - broj bita podatka - parnost - broj stop bita), posleega je omoguena serijska komunikacija izmeu mikrokontrolera sa jedne strane, i GSMmodula i RS232 interfejsa sa druge. U narednim koracima obavlja se ukljuivanje GSMmodula preko pina koji je rezervisan za ovu funkciju, a zatim se alje odreen broj ATkomandi kojima se modul konfigurie za predstojei rad u SMS reimu. Po zavretkukonfigurisanja sledi interval u trajanju od 8 sekundi, tokom kojeg se eka unos odgovarajuegstringa putem RS232 interfejsa (service). Nakon isteka ovog intervala obavlja se proveraunetog stringa i ureaj odlazi u servisni mod za GSM modul, ukoliko je traeni string unet. Izservisnog moda se izlazi hardverskim resetom ureaja.

U nastavku toka programa ulazi se u glavnu petlju, u okviru koje se nalazi nekolikosoftverskih blokova, od kojih svaki ima odreenu funkciju. Prolazak kroz blokove koji suuokvireni isprekidanom linijom nije linearan, ve je uslovljen pojavom odreenih stanja usistemu, od kojih su neke asinhronog karaktera. U jednom prolasku kroz glavnu petlju moe

biti aktivan najvie jedan blok, ne raunajui blok za upravljanje dogaajima, dok jeizvravanje ostalih blokirano. Logika koja ispituje da li su ispunjeni uslovi za aktiviranjeodreenog bloka, i odreuje redosled aktiviranja nalazi se upravo u okviru bloka za

upravljanje dogaajima, i stoga je ovaj blok uvek aktivan.Terminalski blok ima funkciju da prihvata podatke koji dolaze sa RS232 interfejsa ismeta ih u poseban bafer. Ovaj blok se aktivira kada se detektuje signal DTR koji dolazi saRS232 interfejsa, i koji signalizira da je spoljna aplikacija (raunar) povezana sa ureajem ispremna za komunikaciju. Prijem karaktera se tumai kao zavretak komandne linije,

posle ega se terminalski blok deaktivira, a aktivira se blok komandnog procesa. Komandniprocesor zatim preuzima sadraj komandne linije koja je primljena preko RS232 interfejsa iobrauje je. Nakon obrade, aplikaciji se preko RS232 interfejsa dostavlja izvetaj o uspenostiizvravanja zadatih komandi i promeni vrednosti parametara, ili eventualnim grekama, i blokse deaktivira.

Po prijemu SMS poruke GSM modul obavetava mikrokontroler o ovom dogaaju preko

UART interfejsa, nakon ega sledi aktiviranje bloka za prijem i obradu SMS poruke. U okviruovog bloka se preuzima kompletan sadraj poruke (zajedno sa zaglavljem) iz memorije GSMmodula, parsiranje (analiza) poruke, i smetanje efektivnog sadraja u poseban bafer, dok seoriginalna poruka brie iz memorije GSM modula. Blok za prijem i obradu SMS poruke sedeaktivira, a na poetku narednog prolaska kroz glavnu petlju blok za upravljanje dogaajimaaktivira blok komandnog procesa u okviru koga se vri obrada sadraja prethodno napunjenog

bafera, po slinom kriterijumu kao u sluaju obrade komandne linije primljene preko RS232interfejsa. Obrada primljene poruke uslovljena je vrednou parametra S.SE. Za sluaj kada jeS.SE=1, do obrade e doi samo ako se u listi korisnika S.Sx nalazi broj poaljioca poruke(S.Sx.N), ime je omoguen izvestan stepen zatite od neovlaene promene parametara.


41/54


37

Izvetaj o obradi primljene poruke se alje na RS232 interfejs, a ukoliko je parametarS.SM=0, izvetaj se u skraenoj formi alje i poaljiocu poruke. Ako se u primljenoj porucinalazi zahtev za oitavanje nekog parametra (uz pomo operatora ?), izvetaj o vrednostiovog parametra e biti poslat nezavisno od vrednosti parametra S.SM. Generisanje sadraja

SMS poruke koja treba da se poalje najveim delom obavlja komandni procesor, a zavrnuobradu sadraja i sam proces slanja poruke izvrava se u okviru bloka za pripremu i slanjeSMS poruke.

Kao to je ve pomenuto, I/O procesor je integrisan u ISR rutinu za tajmer A0. Pripromeni filtriranog stanja jednog ili vie digitalnih ulaza koje se detektuje u pomenutoj ISRrutini, rukovodei se parametrima iz imenskog domena I, blok za upravljanje dogaajimavri aktiviranje bloka za pripremu i slanje SMS poruke. U ovom bloku obavlja se generisanjealarmne poruke o promeni stanja ulaza, a zatim i slanje poruke. Poruka se alje na prvi broj izliste Ix.Dn (xje indeks ulaza, a nindeks broja iz liste), a ukoliko je parametar Ix.W > 0 (brojsekundi) sa ovog broja je neophodno uputiti poziv na broj SIM kartice koja se nalazi u GSMmodulu, kao potvrdu da je alarmna poruka primljena. U sluaju da potvrda ne stigne uintervalu koji je odreen vrednou parametra Ix.W, alarmna poruka e biti poslata na sledei

broj iz liste. Ovaj proces e se nastaviti sve do prijema potvrde sa jednog od brojeva iz liste,ili dolaska do kraja liste.

Blok za generisanje periodinih SMS izvetaja omoguava slanje periodinih izvetaja ostanju ulaza i izlaza ureaja. U okviru ovog bloka se vri provera isteka podeenog intervalaza slanje izvetaja, i generisanje sadraja izvetaja koji treba poslati, dok sam proces slanjaobavlja blok za pripremu i slanje SMS poruke. Parametar S.P predstavlja interval (izraen uminutima) izmeu kojih e se izvetaji slati, a brojevi na koje se izvetaji alju nalaze se u listikorisnika S.Sx. Interval je stoga jedinstven za sve korisnike iz liste, dok se aktivacija slanja

periodinih izvetaja moe obavljati nezavisno za svakog korisnika preko parametra S.Sx.PE.

Radi zatite od pojave nepredvienih stanja u kojima se ureaj moe nai usled pojavejakih smetnji, nestabilnosti u napajanju, blokiranja GSM modula ili neke druge neeljenepojave, pri svakom prolasku kroz glavnu petlju obavlja se osveavanje virtuelnog watchdogtajmera. Virtuelni watchdog tajmer je realizovan uz pomohardverskog watchdog tajmera,koji je aktiviran po ulasku u petlju i posebnog registra koji se inkrementira u ISR rutini zatajmer A0, i koji predstavlja virtuelni watchdog tajmer. Interval isteka hardverskog watchdogtajmera je podeen na vrednost koja je viestruko vea od intervala tajmera A0, tako da sehardverski watchdog tajmer osveava na svakih 10ms, i nema opasnosti od nepredvienogreseta. Osveavanje se obavlja uslovno, nakon inkrementiranja virtuelnog watchdog tajmera, ito samo ako je vrednost ovog tajmera manja od izabranog intervala isteka virtuelnog tajmera.

Vrednost ovog intervala je izabrana tako da bude neto dua od intervala prolaska kroz glavnupetlju u najgorem sluaju. Stoga je osveavanje virtuelnog watchdog tajmera neophodnoobaviti samo jedanput pri prolasku kroz glavnu petlju. Osveavanje se obavlja upisivanjem 0u virtuelni watchdog registar. Ukoliko se program 'zaglavi' u nekom delu petlje, vrednost uregistru virtuelnog watcdog tajmera e se, uz osveavanje hardverskog watchdog tajmera, prisvakom ulasku u ISR za tajmer A0 inkrementirati, a nakon to premai izabranu vrednostintervala isteka, hardverski watchdog tajmer se vie nee osveavati, a potom e po

premaenju njegovog intervala isteka doi do resetovanja mikorkontrolera.


42/54


38

4.4. GPRS reim

O primeni ureaja i koncepciji rada u GPRS reimu je vebilo rei u ovom radu. Reenoje da je osnovna uloga ureaja da obezbedi transparentnu vezu izmeu raunara sa aktivnomSCADA aplikacijom i udaljenih PLC jedinica, posredstvom GPRS mree i korienjem UDP

protokola. U ovoj postavci SCADA aplikacija proziva PLC jedinice slanjem numerikiadresiranih paketa, a zadatak ureaja koji se nalazi na strani SCADA aplikacije (masterureaj) je da obradi ovaj paket, i to tako to e izdvojiti numeriku adresu PLC jedinice kojoj

je paket upuen, a zatim je pronai u tabeli sa odgovarajuom IP adresom ureaja koje senalazi na strani PLC jedinice (slave ureaj), a koja je pridruena numerikoj adresi u tabelimaster ureaja. Na ovaj nain master ureaj obavlja dinamiko rutiranje paketa na osnovunumerike adrese PLC jedinice koja se nalazi u zaglavlju paketa, i pridruene IP adrese slaveureaja. Ureaj podrava rutiranje paketa u ASCII i binarnom formatu. Najznaajnija razlika

izmeu mehanizma rutiranja za ova dva formata sastoji se u na

inu 'frejmovanja' paketa,odnosno u kriterijumu po kome ureaj utvruje kada je primljen kompletan paket, odnosno

gde mu se nalaze poetak i kraj. Kod ASCII protokola paketi se mogu 'frejmovati' pomouspecijalnih karaktera, dok kod binarnih to nije mogue, pa se moraju 'frejmovanje' obavlja

pomou tajmauta, ondosno po vremenskom kriterijumu.Slave ureaj koji se nalazi na strani PLC jedinice ima tabelu koja sadri adrese master

ureaja sa kojima komunicira. Izbor adrese master ureaja iz tabele obavlja se dovoenjemodgovarajue kodne kombinacije na digitalne ulaze ureaja, pa je stoga rutiranje na ovojstrani statikog karaktera. Pri tome se ne obavlja obrada paketa, vese oni direktno prosleujuod GSM modula ka RS232 interfejsu, i obratno.

Verzija softvera za rad u GPRS reimu poseduje zasebnu verziju komandnog procesora iovde ne postoji hijerarhijska organizacija parametara po imenskim domenima. GSM modulima integrisan TCP/IP stek, tako da se njegovim funkcijama pristupa pomou AT komandi.Treba napomenuti da se komunikacija mikrokontrolera sa GSM modulom deli u dva

podreima. Jedan je komandni podreim tokom koga se preko UART interfejsa modulu aljuAT komande, i dobijaju odgovori od njega. Drugi podreim se odnosi na situaciju kada suGSM modulu dostavljeni neophodni parametri za otvaranje veze koji e se koristiti za slanjeUDP paketa (IP adresa i port odredita), pa se slanjem odgovarajue AT komande aktiviraotvorena veza i ulazi u data podreim, nakon ega se svi podaci koje modul dobija prekoUART interfejsa pakuju u UDP paket, i alju na odredite preko GPRS-a. Povratak ukomandni podreim moe se obaviti slanjem specijalnog stringa, ili dvostrukom inverzijom

DTR signala. Pojednostavljeni algoritamski dijagram toka programa u GPRS reimu prikazanje na slikama 4.6. i 4.7.


43/54


39

Slika 4.6.Algoritam poetnog dela programa u GPRS reimu


44/54


40

Slika 4.7. Algoritam rutina za master i slave rutiranje u GPRS reimu


45/54


41

5. REZULTATI ISPITIVANJA

U periodu od 12.05.2007. do 19.05.2007. izvreno je snimanje transportnog vremenapodataka kroz GPRS mreu. Za ovo snimanje korien je jedan GSM Reporter ureaj sa VPNSIM karticom. Softver koji je korien za ovo snimanje napisan je specijalno za ovu namenu i

pojednostavljeni algoritamski dijagram koji ga opisuje moe se videti na slici 5.1.

Slika 5.1. Algoritam softvera za snimanje transportnog vremena


46/54


42

Obzirom na injenicu da je koriena SIM kartica u VPN-u, povezivanje na GPRS mreuse obavlja preko privatnog APN-a, i prilikom povezivanja GSM modulu se dodeljuje statikaIP adresa. Ovo je omoguilo da se prilikom merenja transportnog vremena podataka koristisamo jedan ureaj, koji istovremeno igra ulogu poaljioca i primaoca podataka. Nakon

registrovanja na APN otvara se dolazna i odlazna veza, gde je IP adresa odlaznog soketazapravo statika adresa GSM modula, a port na koji se alje je port na kome dolazna vezaoekuje podatke. Paket se alje po UDP protokolu, i njegov sadraj se generie pre svakogslanja. Generisanje se vri na osnovu rednog broja paketa, pri emu je veliina paketa fiksna iiznosi 5 bajtova, gde se sa 2 bajta oznaava redni broj paketa, a preostala 3 bajta imajukonstantnu vrednost za svaki paket.

Nakon generisanja sadraja paketa aktivira se odlazna veza, i GSM modul prelazi u datapodreim. Preko UART1 interfejsa paket se alje GSM modulu, a nakon slanja poslednjegbajta program se zadrava odreeno vreme u petlji pre deaktiviranja odlaznog soketa. Ovajinterval vremena je zapravo tajmaut koji mora protei kako bi GSM modul primljene podatke

poslao na GPRS mreu, i ovaj mehanizam je implementiran u firmveru GSM modula. Nakonisteka ovog intervala aktivira se broja koji se inkrementira kroz ISR rutinu tajmera A0.Tajmer je podeen da generie interapt fleg na svakih 10ms, pa je samim tim i preciznostmerenja svedena na ovaj interval.

Poto je GSM modul primio paket i obavio neophodne pripreme UDP paketa se alje naodredite, a zatim se aktivira dolazna veza i meri se vreme do povratka paketa. Kako GSMmodul faktiki alje paket samom sebi, polazna taka i odredite paketa fiziki pripada u istojgrupi baznih stanica (BSS), ak tavie istoj baznoj stanici (BTS), jer je ureaj ne menjafiziku lokaciju. Putanja koji paket u ovom sluaju prelazi od polazne take do odredita jedefinisan fizikom lokacijom kontrolera baznih stanica (BSC), gde se vri izdvajanje

paketnog saobraaja ka SGSN-u. Iz ovoga se moe zakljuiti da e na vreme koje paket

provodi u putu od GSM modula do SGSN-a i natrag uticati pre svega optereenje radiolinkova koji se nalaze u lancu izmeu GSM modula i BSC-a (air-interface i Abis-interface),ali i optereenje segmenta IP mree koji je pod kontrolom SGSN-a, koje moe biti izazvanosaobraajem sa drugih radio linkova koji se nalaze u istoj grupi baznih stanica.

U sluaju prevelike optereenosti mree moe doi do gubitka paketa, pa je uveden itajmaut u petlju gde se eka prijem poslatog paketa, i njegova vrednost je podeena na 20sekundi. Paketi se alju na svakih 60 sekundi, tako da je tokom kompletnog procesa snimanjatransportnog vremena poslato ukupno 10080 paketa. Brzina UART interfejsa je podeena na115200bps, tako da je uticaj vremena slanja i prijema podataka izmeu GSM modula imikrokontrolera sveden na zanemarivu vrednost. Obzirom na odnos vrednosti takt intervalamikrokontrolera, koja definie brzinu izvravanja programa (oko 0.2us za jednociklusne

instrukcije), i vrednosti najmanjeg vremenskog intervala koji se moe izmeriti (10ms),zakljuak je da ni obrada podataka koju mikrokontroler obavlja nad primljenim podacima saGPRS mree nee uticati na interval koji se meri (obrada sadraja paketa koja prethodi slanjuse obavlja pre startovanja brojaa, tako da ona ni teoretski ne moe da utie na merenje).Rezultati merenja su slati preko UART0 interfejsa na PC raunar, na kome je vrenologovanje rezultata, a paralelno je obavljano i upisivanje u flash memoriju.

Na slici 5.2. je prikazan nedeljni vremenski dijagram sa prosenim vrednostima intervalatransportnog vremena po satu.


47/54


43

Slika 5.2. Nedeljni dijagram srednjih vrednosti transportnog vremena

Interval transportnog vremena predstavlja zbir vremena koje paket provede u putu odGSM modula do SGSN-a i vremena koje provede u povratnom putu, tj. od SGSN-a do GSMmodula. Sa dijagrama se moe zapaziti da za dan 12.05.2007. kriva zahvata neto nievrednosti nego to je to sluaj sa ostalim danima. Poredei ovaj deo dijagrama sa dnevnim

dijagramom za isti dan (videti u prilogu), gde se moe primetiti veliki broj izgubljenih paketa,moe se pretpostaviti da su ovog dana obavljani radovi na odraavanju tehnike koja se nalaziu lancu prenosa podataka. Ovi radovi su najverovatniji uzrok gubitka velikog broja paketa, ali

je posledica ovih radova takoe i redukovano korienje GPRS servisa u ovom delu mree,tako da su paketi koji su slati u intervalima kada su linkovi bili funkcionalni imali neto manjetransportno vreme, ime se moe objasniti kontradiktornost u izgledu dve krive.

Dana 16.05.2007. izmeu 17:50 i 19:30 asova, kao i 18.05.2007. tokom veeg dela danazabeleeni su skokovi vrednosti transportnog vremena podataka kroz GPRS mreu. U

pomenutim periodima vremenski uslovi su bili loi (jaka kia i atmosferska pranjenja), tonaelno ne bi trebalo da dovodi do pogoranja kvaliteta prenosa podataka kroz linkove u GSMmrei. Ovo posebno vai za link izmeu GSM modula i bazne stanice (air-interface) koji radi

na uestanosti od 900MHz, jer ovakvi vremenski uslovi nemaju znaajnijeg uticaja na radiotalase iz korienog opsega uestanosti.

Documents

GSM SMS GPRS Industrijski Terminal