Denetleyici Alan Ağı Üzerinden Sensör Verilerinin İzlenmesi. Monitoring of Sensor Datas Over the Controller Area Network

Transkript

1 Denetleyici Alan Ağı Üzerinden Sensör Verilerinin İzlenmesi Mehmet Ali Şimşek1, Kubilay Taşdelen2 1 Süleyman Demirel Üniversitesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Isparta 2 Süleyman Demirel Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Isparta ma_simsek32@hotmail.com, kubilaytasdelen@sdu.edu.tr Özet: Endüstriyel ortamlarda, üretimin kalitesini artırmak için sahada bulunan cihazların bilgilerinin gerçek zamanlı olarak izlenmesi önemlidir. Bu cihazlar sensörler, PLC ler, motorlar gibi elemanlardan oluşabilir. Bu çalışmada, üzerinde sıcaklık ve nem sensörü bulunan bir modül oluşturulmuş, DAA (Denetleyici Alan Ağı) ve Arduino kullanılarak sensör bilgileri internetteki istemcilere gerçek zamanlı olarak gönderilmiştir. Bilgilerin gerçek zamanlı olarak internet üzerinden gönderilebilmesi için signalr (Real-time Application Development) teknolojisinden yararlanılmıştır. Sistemin tasarımında Arduino geliştirme kartlarına DAA özelliği kazandırılması için CAN BUS shield kullanılmıştır. Anahtar Sözcükler: Denetleyici Alan Ağı, Arduino, SignalR, CAN BUS shield, Sensörler Monitoring of Sensor Datas Over the Controller Area Network Abstract: In industrial environments, to improve the quality of production, it is important to monitor the information of the devices which are in the field in real time. These devices may be composed of elements such as sensors, PLCs, motors. In this paper, a module on which there is a heat and moisture sensor has been built up. Being used CAN (Controller Area Network) and Arduino, the sensor informations have been indicated to the clients on internet as real-time. In order that the information can be shown by way of internet, signalr technology has been used. In the system s design, CAN BUS Shield has been adapted in order to allow Arduino development cards to get CAN feature. Keywords: Controller Area Network, Arduino, SignalR, CAN BUS shield, Sensors 1. Giriş Otomasyon ve endüstriyel sistemlerde, sensör, aktüatör, valf, röle vb. elemanlar, programlanabilir lojik kontrolör ve bilgisayarlarla haberleşmektedir. Böylece bilgi akışı sağlanarak veri toplama, veri işleme, veri analizi işlemleri gerçekleştirilmektedir. Bu işlemler birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. Bu iletişim, endüstriyel ağlar tarafından sağlanmaktadır. Bu ağlar başlarda endüstriyel ortamlar için geliştirilse de sağladığı faydalardan dolayı, taşıt sistemleri, medikal cihazlar, bina ve bina otomasyonları, robotik gibi pek çok alanda aktif olarak kullanılmaktadır [2]. Akıllı ev sistemlerinde kullanılan sensörlerden gelen verilere göre işlem yapılması [3], eğitim amaçlı oluşturulan 8051 mikro işlemcili deney düzeneğinin internet üzerinden kontrolü [4], demir yolu geçiş sistemlerinde bulunan sensörlerin PLC ile izlenmesi [5], servo motor deney düzeneği oluşturulması ve bilgisayar üzerinden istenilen yöne dönme işleminin yapılması [6], araç sistemlerinde bulunan sensör bilgilerine ulaşmak amacıyla araç kontrol sistemlerinin tasarımı ve izlenmesi [7, 8, 9], sensörlerden gelen bilgilere göre analiz yapılması [15] gibi işlemlerin DAA protokolü kullanılarak oluşturulmuştur. Bu çalışmada, Arduino geliştirme kartı kullanılarak hazırlanmış bir sensör modülünün internet üzerinden izlenmesi sağlanmıştır. Modül üzerinde DHT11 marka sıcaklık ve nem sensörü bulunmaktadır. Modül üzerinde bulunan sensörden okunan sıcaklık ve nem bilgileri internet üzerinden istemcilere sunulabilmektedir. Modül ile sunucu arasındaki haberleşme güçlü bir endüstriyel ağ olan DAA ile oluşturulmuş ve sunucuya gelen sensör bilgilerinin internete gönderilmesi SignalR ile sağlanmaktadır. 2. Denetleyici Alan Ağı(DAA) DAA Protokolü, 1980 lerin ortalarında Alman firması olan Robert Bosch tarafından, otomotiv uygulamalarında güçlü bir seri veri iletiminin oluşturulması amacıyla tasarlanmıştır yılında ISO tarafından uluslararası bir standart olarak kabul edilmiştir. DAA Protokolü, otomotiv sektöründe olduğu gibi endüstri sektöründe de yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, tarımsal makineler, tıbbi makineler, otomasyon, tekstil üretim sistemleri, paketleme kontrol sistemleri, robot kontrol sistemleri gibi daha birçok sistem içerisinde DAA protokolü popülaritesini arttırmıştır [10]. 945

2 3. Arduino Arduino bir bilgisayarın yapabildiği, algılama, fiziksel ortamdaki birden fazla cihaz kontrolü gibi bazı işleri yapabilen bir araçtır. Basit bir mikrodenetleyiciye dayalı açık kaynaklı fiziksel hesaplama platformudur. Yazılım geliştirmek için bir geliştirme ortamı vardır [11]. Son zamanlarda popülerliği artan bu geliştirme ortamları farklı amaçlar için çeşitli akademik çalışmalarda kullanıldığı görülmektedir. Bu çalışmada Arduino Mega 2560 geliştirme kartı kullanılmıştır ve Şekil 1 de görülmektedir. 4. SignalR SignalR uzaktaki istemcilere veri iletmek için kullanılan açık kaynaklı bir framework tür. İstemciler yeni durum ya da mesaj göndermek istedikleri zaman internette bulunan hub a ait bir metodu çağırır. Aynı yöntemle hub da kendine bağlı tüm istemcilerdeki aynı metot çağrılır ve durum ya da mesaj iletmiş olur. Böylece istemcilerin birinde olan değişiklik tüm istemcilere iletilebilir [12]. Böylelikle gerçek zamanlı iletişim sağlanmış olur. Hub veri alıp gönderebildiği için dublex bir bağlantı sağlamaktadır. İletilmek istenen durum tüm istemcilere gönderilebileceği gibi istenilen istemcilere de gönderilebilir. SignalR, hub üzerinden istemcideki javascript metotlarının tetiklendiği bir yapıdır. SignalR da mesajlaşma arka planda yapılmaktadır ve kullanıcının bundan haberi yoktur [13]. Şekil 1. Arduino mega 2560 geliştirme kartı Arduino geliştirme kartlarına DAA protokolü ile haberleşebilme özelliği kazandırmak için bir shield e ihtiyaç vardır. Sparkfun firması tarafından geliştirilen CAN-BUS shield i kullanılmıştır. CAN-BUS shield, DAA alıcı/verici olarak Microchip MCP2551, DAA denetleyicisi olarak Microchip MCP2515 entegrelerini kullanmaktadır. DAA bağlantısı için gerekli olan tüm gereksinimleri bu shield karşılamaktadır. Şekil 2 de CAN- BUS shield görülmektedir. SignalR, gerçek zamanlı sağlam bir altyapı sunduğu için, chat, online alışveriş, online oyun gibi anlık bilgi aktarımının ihtiyacı olan uygulamalarda kullanılmaktadır. 5. Sistem Mimarisi Gerçekleştirilen sistem donanım ve yazılım olmak üzere iki ana başlık altında toplanmıştır. Şekil 3 de sistemin blok diyagramı gösterilmiştir. Çalışmadaki donanım birimi, arduino geliştirme kartı ile hazırlanmış sensör modülüdür. Yazılım birimleri ise Arduino geliştirme kartı içerisindeki yazılım, sunucu içerisinde bulunan yazılım ve kullanıcıların deney düzeneğinden gelen bilgileri görebileceği web sayfasından oluşmaktadır. Şekil 2. CAN-BUS shield 946

3 Şekil 3. Sistem blok diyagramı 5.1. Donanım Sensör modülü, DAA protokolü için bir düğüm oluşturmaktadır. Arduino deney modülüne DAA özelliği kazandırmak için CAN-BUS shield i kullanmaktadır. Arduino ile shield pinler vasıtasıyla birleştirilip bütüncül bir yapı oluşturulmuş ve board üzerindeki sıcaklık ve nem sensörü ile birleştirilmiştir. Sensör üzerinde VDD, Data, Nc ve GND olmak üzere 4 bacak bulunmaktadır. Şekil 4 de bağlantı şekilleri görülmektedir. olarak gönderilecek olan data frame i hazırlar ve gönderir. Bu işlemi yapabilecek kodları yazmak için Cevallos [14] tarafından geliştirilen açık kaynak kodlu Can_Library isimli kütüphane kullanılmıştır. Arduino geliştirme kartında bulunan yazılımın akış diyagramı Şekil 5 de gösterilmiştir. Deney modülü ve USB CAN BUS arasındaki DAA mesajlarını sinyal seviyesinde taşınması için fiziksel katmana ihtiyaç vardır. Bu katman bus topolojisi kullanılarak oluşturulmuştur. CAN_L, CAN_H ve GND uçları için 3 damarlı kablo kullanılmıştır. Şekil 4. Deney modülü Topoloji uçlarında sinyal yansımalarını engellemek için CAN_H ve CAN_L uçları standart sonlandırma direnci 120 ohm ile birleştirilerek sağlanmıştır. Şekil 5. Arduino geliştirme kartı yazılımı akış diyagramı 5.2. Yazılım Arduino geliştirme kartı, kullanıcılar tarafından gönderilen remote frame i okur ve buna cevap 947

4 Sunucu içerisinde bulunan yazılımın 2 temel işlevi vardır. Bunlardan ilki topoloji üzerindeki mesajları okumak ve topolojiye mesaj gönderilmek istendiğinde mesaj göndermektir. Sunucu yazılımın ikinci işlevi ise okunan bilgilerin gerçek zamanlı olarak internet üzerindeki kullanıcılara gönderilmesidir. Bunun için signalr teknolojisinden faydalanılmıştır. İnternet üzerinde bir hub oluşturulmakta ve sunucu üzerinden tüm mesajlar bu hub a gönderilmektedir. Kullanıcılarda doğrudan bu hub a bağlanmaktadır. Hub üzerinde bir değişiklik olduğu anda bu değişiklik tüm kullanıcılara yansımaktadır. Aslında hub a mesaj gönderen sunucuda, kullanıcılarda birer istemcidir. Sensörden okunan bilgiler grafiksel olarak web sayfası üzerinde Şekil 6.a ve Şekil 6.b de görüldüğü gibi sunulmaktadır. Şekil 6.a Sıcaklık-zaman(saniye) grafiği Şekil 6.b Nem-zaman(saniye) grafiği Sıcaklık-zaman ve nem-zaman grafikleri üzerindeki değerler, oda şartlarında bulunan sistemin çalışması sonucu elde edilen verilerdir. Her saniye sıcaklık ve nem bilgilerini gönderilmektedir. Sistemin, çalışma süresi boyunca bulunduğu ortamın sıcaklık ve nem değerleri değiştirilerek sonuçlar gözlenmiştir. Örneğin 20. saniyede sıcaklık 25 derece iken nem, % 36 dır. 6. Tartışma ve Sonuç Literatür araştırmaları sonucunda benzeri çalışmalar 8051, PIC gibi denetleyiciler kullanılarak oluşturulduğu gözlenmiştir. Bu çalışmaların çoğu internet üzerinden kontrol edilebilme ve gözlenebilme imkanı sunmamaktadır. İnternet üzerinden kontrol edilebilen çalışmalarda bu özellik genellikle web servisler ile sağlanmaktadır. 948

5 Bu çalışmada endüstriyel ağlar içerisindeki en popülerlerinden biri olan DAA ile Arduino geliştirme kartları kullanılmış ve internet üzerinden erişimi sağlanmıştır. İnternet üzerinden haberleşme ise signalr ile sağlanmıştır. Bu üç teknolojinin birlikte kullanılması çalışmanın özgün değerini göstermektedir. SignalR ve Arduino, bu çalışmanın benzerlerinden farkını göstermektedir. ABD ASHRAE standartlarına göre ideal şartlar için sıcaklığın derece, nemin ise %30-60 arasında olması gerekmektedir [16]. Grafik üzerinde gösterilen değerlerde, sensörün sıcaklık değeri için %2, nem değeri için %5 lik hata payı olabileceği göz ardı edilmemelidir[17]. Bu bilgiler doğrultusunda sistem uzun süre gözlenmiş, herhangi bir kararsızlık durumuyla karşılaşılmamıştır. Benzeri çalışmalarda birden fazla deney modülü tasarımı yapıldığı görülmüştür. Bu çalışmada bir tane deney modülü ve bir tane DHT11 sensörü kullanılmıştır. Fakat çalışmanın başarı ile sonuçlanması göstermiştir ki birden fazla deney modülü, çeşitli sensörler, motorlar, PLC gibi elemanlarla da aynı çalışma yeniden yapılabilecektir. Çalışmanın çıktılarından bir diğeri de, signalr teknolojisinin gerçek zamanlı çalışmalarda rahatlıkla kullanılabileceğidir. 7. Teşekkür 3919-YL1-14 No lu proje ile bu çalışmayı destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığı na teşekkür ederim. 8. Kaynaklar [1] Vadi, S., Güler, N., Bayındır, R., Endüstriyel Alanlarda Kullanılan Veri İletim Tekniklerinin Karsılaştırılması, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 2(1), (2014). [2] Aydoğan, T., WorldFIP/ATM Yerel Köprü Tasarımı ve CAN/Profibus/WorldFIP Ağlarının ATM Omurga Üzerinden Arabağlaşımı,Sakarya Üniverstesi,Fen Bilimleri Enstitüsü,Doktora Tezi, 171s,Sakarya(2005). [3] Lee, K.C., Lee, H.H., Network-based Fire-Detection System via Controller Area Network for Smart Home Automation, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 50(4), (2004). [4] Taşdelen, K., Kutlu, A., Küçüksille, E. U., Mikro Denetleyici Dersi İçin İnternet Tabanlı Laboratuar Uygulaması Akademik Bilişim,02-04 Şubat,Gaziantep(2005). [5] Davenport, D.M., Hoctor, R.T., A Physical Layer for the CAN bus Using Modulated PLC, International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, 6-8 Nisan, Vancouver (Canada), (2005). [6] Delikanlı, K., Uzaktan Erişimli Kontrol Laboratuarları Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 81s,Isparta (2008). [7] Ye,Q., Research and Application of CAN and LIN Bus in Automobile Network System 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE),20-22 Ağustos,Chengdu(Çin),V V6-154(2010). [8] Paturkar, A.A., Karule, P.T., Dikholkar, A.S., Implementation of Node to Node Communication System on ARM 7 using CAN Bus International Journal of Research in Computer and Communication Technology, 2(12), (2013). [9] Presi,T.P., Design And Development Of PIC Microcontroller Based Vehicle Monitoring System Using Controller Area Network (CAN) Protocol International Conference on Information Communication and Embedded Systems (ICICES), Şubat, Chennai (Hindistan), (2013). [10] Kutlu, A., Ünal, İ., Mikrodenetleyiciler İçin Kontrol Alan Ağı Üzerinden Sistem İçi Programlayıcı Tasarımı, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 12(2), (2008). [11] Arduino web sitesi: (2014) [12] Zheng,W., Zhang,M., Zhang, Li,G., Zhang,J., Zhuang,G., Service-Oriented Remote Operation System for J-TEXT Tokamak, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCI- ENCE,42(3), ,(2014). [13] Dimitrijević,D., Nedić, N., Dimitrieski, V., Real-Time Carpooling and Ride-Sharing: Position Paper on Design Concepts, Distribution and Cloud Computing Strategies, Proceedings of the 2013 Federated Conference on Computer Science and Information Systems,8-11 Eylül,Krakow(Polonya), [14] Github web sitesi: 949

6 CAN-Library (2014) [15] Kara, İ., CAN Haberleşme Protokolü İncelenmesi ve Bir Sıcaklık Kontrol Sistemine Uygulanması, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 66s,İstanbul,( 2009). [16] İş sağlığı ve güvenliği enstitü müdürlüğü: IG14-ofislerde_isg.pdf (2015) [17] Mikropik: dht11.pdf (2005) 950