Автоматизация + Программирование

Рисунок 1 — Плата устройства

Большой опыт работы в сфере промышленной автоматизации и АСУТП, казалось бы, должен способствовать тому, что со временем уже много всего видел и много всего знаешь. Но не тут-то было. Оказывается, иногда могут возникать задачи и проекты, которые трудно реализовать стандартными средствами. Так под один крупный проект по мониторингу и управлению в «облаке» одного небезызвестного завода N требовалось найти подходящее железо. Однако оказалось, что в России по требованиям помехозащищенности устройства и открытости системы ничего подходящего не существует. Попытка заказать идеально подходящее нам устройство из-за рубежа провалилась, поскольку на территорию нашей страны оборудование с пометкой «IoT» весьма трудно ввести в промышленных масштабах. Другие же поставщики не устроили сроками доставки в 12 недель при небольших объемах и ценой. Поэтому в голове родилась и плотно осела мысль о создании своего устройства. Причем такого, чтобы оно было универсальным и подходило не только конкретно под этот один проект, а под множество других. В итоге от момента зарождения идеи, подбора поставщиков и корпуса, разработки платы, её отладки и тестирования, написания инструкций и технической документации прошло весьма много времени. Но зато теперь я держу с легким трепетом в руках полностью законченное и рабочее устройство, и могу заявлять, что мы это сделали!

Почему именно Raspberry?

Raspberry Pi – это небольшой и дешевый универсальный микрокомпьютер, гибко настраиваемый под любые задачи. С 2014 года он выпускается как самостоятельный вычислительный модуль Compute Module, то есть из привычной платы с различными интерфейсами и разъемами осталось только самое важное: процессор, ПЗУ и ОЗУ. Такое исполнение позволяет использовать это устройство для любых мыслимых и немыслимых задач, все лишь упирается в возможности фантазии для создания обвязки вокруг модуля. Стоит также заметить, что с момента выхода в свет первой версии устройства вышло уже три версии модулей, а после выхода Raspberry Pi 4, вероятно, стоит ожидать еще и четвертую версию в скором времени. Всё это говорит о том, что разработчики активно развивают свой продукт, увеличивают его мощность и быстродействие, и что их устройство пользуется определенной популярностью у людей. Эта популярность не беспочвенна: за всё это время они зарекомендовали себя как надежные устройства, способные решать задачи различного уровня в любых условиях, даже в космосе. Также программировать на Raspberry Pi условно просто, они обладают большим количеством интеграторов по всему миру.

Открытая операционная система Linux позволяет устанавливать на устройство абсолютно любое программное обеспечение в зависимости от требуемой задачи. Например для решений в области умного дома возможны стыковки с OpenHab, Home Assistant, iRidiumMobile, NodeRed и др. Для промышленности возможна установка SCADA-систем, таких как CODESYS, Rapid SCADA, OpenSCADA с возможностью использовать устройство как шлюз для передачи данных на верхний уровень по протоколам MQTT, http, REST API или CoAP. Также возможна интеграция с различными облачными сервисами.

Что по интерфейсам?

Рисунок 2 — Вид платы сверху и снизу

Устройство в минимальном исполнение поддерживает следующие интерфейсы:

- RS485 х 2;

- RS232 х 1;

- CanBus х 1;

- 1-Wire х 1;

- USB х 1;

- Ethernet х 1;

- SMA x 2;

- SIM х 1;

- miniPCIe х 2;

- HDMI 4k х 1;

- MicroUSB х 1;

- MicroSD х 1;

- GPIO х 1.

- LED х 1 (программируемый);

Вышеописанные интерфейсы позволяют внедрить устройство практический в любой проект. А дополнительные аппаратные модули для установки в слоты Mini PCI-e от сторонних производителей решают проблему с наличием связи и интернета у устройства. Такой путь с установкой модулей связи нами был выбран не случайно, поскольку наличие USB-адаптеров (так называемых «свистков») является не очень надежным и качественным вариантом, а установка промышленных роутеров по типу Robustel R2000-3P является дорогостоящим (около 12 т.р.). Поэтому мы остановились на установке двух разъемов под модули Mini PCI-e, которые можно использовать по собственному желанию:

3G, LTE, GPRS модуль (HUAWEI MU709s-2, цена: 2,5 т.р.);

Wi-Fi модуль с возможностью подключения к нему направленной антенны;

NB-IoT модуль;

LoraWan модуль для построения сети «интернет вещей».

Таким образом, появляется некая вариативность и гибкость в выборе нужных интерфейсов связи под конкретную задачу.

Дополнительные решения

- Аппаратный watchdog;

- Аппаратные часы реального времени;

- Энергонезависимая память EEPROM;

- Металлический корпус и крышки (алюминий 3 мм);

- Диапазон питания 9-36 В;

- Температурный диапазон -25...+80°C (по документам, тесты еще не проводились).

Рисунок 3 — Устройство AntexGate в корпусе

Так как я не умею рисовать и при этом я лентяй и программист, а порисовать в "Ламповом конструкторе" хочется, то пришлось поднапрячь мозги и автоматизировать рисование.

Несколько лет назад я уже автоматизировал себе игру в "Зомби ферму" в ВК на AutoIt3, сейчас решил тоже его использовать.

Скрипт можно взять тут: https://pastebin.com/KQJ7Ed5p

Небольшой недостаток, что перед началом рисования нужно вручную устанавливать курсор на верхнюю левую лампу, а потом клавиатурой запускать скрипт.

Также возможно придётся чуток подправить скрипт если у вас браузер не Google Chrome и/или нестандартный масштаб.

Палитра доступных цветов не идеальна, поэтому не все картинки выходят хорошими.

Пример светодоски: https://pikabu.ru/page/newyear2019/?id=10%20YHXGE0WkA

Всех с наступающим новым годом!

Для тех, кто не хочет читать статью, поясню, в чем суть. Переменное напряжение в бытовой электросети изменяется по синусоидальному закону с частотой 50Гц. Это значит, что за одну секунду мы имеем 50 полных волн или 100 полуволн. Таким образом, если каждую секунду включать нагрузку таким образом, чтобы пропускать определенное количество полуволн, то мы можем дискретно регулировать выдаваемую мощность. Если за 1 секунду мы будем пропускать 1 полуволну - это будет 1% мощности, если 50 полуволн, то 50%, а если все 100 - то 100%. МОС сама отслеживает прохождение волны через 0, поэтому включать и выключать будет в 0, что уменьшит помехи, возникающие при работе, например, фазового модулятора.
Итак, осталось только равномерно распределить в течение секунды полуволны, а для этого и используется алгоритм Брезенхема. Картинка из статьи это прекрасно иллюстрирует.

Единственный нюанс, мы возьмем за основу не 10, а 100 полуволн, и будем выдавать мощность в процентах, за 1 секунду. Для тестирования устройства проценты будем задавать с помощью потенциометра.

Итак, имелась плата  Arduino ProMini, к ней все и подключим. Код получается мелкий и простой, надеюсь, что сообщество извинит, что я его выкладываю прямо тут:

byte pers;  // Переменная для получения данных порта

int x;  // Переменная координат алгоритма Брезенхема

int y;  // Переменная координат алгоритма Брезенхема

int onoff ;  // Переменная сигнала на плату симистора

void setup() {

pinMode(12, OUTPUT); // Назначаем пин на выход (плата симистора)

}

void loop() {

pers = analogRead(pinPot); // Положение потенциометра

pers = map(pers, 0, 1013, 0, 100); // Переводим показания потенциометра в проценты

if (pot > 100) {pot = 100; }  // Ограничиваем значение

y = 0;

for (int i = 1; i <= 100; i++){  // Алгоритм Брезенхема

x = i * pers / 100 ; 

if (x == y) {onoff = 0;}

else {onoff = 1;}

digitalWrite(12, onoff);

y = x;

}

}

Ну вот, отлично работает эта схема. Крутим потециометр и смотрим на мигание лампочки на электрическом чайнике. Красота. Получился прекрасный диммер - регулятор мощности переменного тока, нагрузкой, если верить даташиту симистора, до 40A и напряжением до 600В при наличии хорошего радиатора. https://html.alldatasheet.com/html-pdf/22042/STMICROELECTRON...

Я поставил радиатор от кулера процессора, большой и красивый. При управлении 2,2кВт чайником, он даже теплым не становится.

Ну а как же управлять теперь получившимся устройством? Ведь плата Ардуино Только тем и занята, что отправляет импульсы на плату симистора. А как же цифровые датчики температуры? Их библиотеки вносят задержки. Использовать аналоговые? Это не наш метод. А как же дисплей, настройки, различные режимы работы, мигающие светодиоды и прочее? Да и ладно, пусть меня осудят, подумал я и решил использовать еще одну плату, на этот раз Uno и все-все реализовать на ней. А уже с нее просто бросать данные по softserial на Pro Mini.
В чем еще удобство такого управления? А в том, что на UNO теперь можно сделать автоматический регулятор. Процесс нагрева небыстрый, поэтому я решил, что ПИД-регулятор тут не нужен, достаточно будет ПИ-регулятора, и не ошибся.
В следующей статье опишу и его и покажу, как почти готовое устройство греет электрический чайник.