Offshore Monitoreringssystem

Transkript

1 Offshore Monitoreringssystem Udviklingen af et kommunikationsmodul til datatransmission og overvågning af elektronisk måleudstyr. Synopsis På havet, hvor elektricitet og Internetforbindelse er svært tilgængeligt, kan overvågning af elektronisk udstyr være en udfordring for virksomheder, som ønsker en effektiv, men strømbesparende kommunikation. Dette projekt tager udgangspunkt i netop denne problemstilling med det formål at udvikle et kommunikationsmodul til datatransmission og overvågning elektronisk måleudstyr placeret under vand. I denne proces lykkedes det at fremstille et produkt, der er i stand til at monitorere og viderebringe resultater fra en Accustic Doppler Current Profiler over længere perioder. Produktet inkluderer en Arduino mikroprocessor, lagring på SD hukommelseskort, GPS positionering, Temperatur måling samt relæstyring. Produktet er udviklet for virksomheden DHI Vand og Miljø, som har planlagt at teste produktet nær kysten ud for Avedøre havn parallelt med en nuværende installation. Virksomheden anser projektet som et forstadie i udviklingen af nyt elektronik. Side 1 af 42

2 1 Forord Rapporten er tilegnet Ingeniørhøjskolen i København som en del af et afgangsprojekt. Projektforløbet strækker sig fra 1. februar til 31. maj 2011 og er udarbejdet hos DHI Vand og Miljø. Projektet anses af DHI som et forstadie i udviklingen af et nyt kommunikationsmodul til brug i deres projekter. En særlig tak til Per Emdahl Fogt, DHI Vand og Miljø, for gode råd og vejledning under arbejdet med projektet. Projektet udarbejdet af:. Studie nr I samarbejde med: Koordineret af: Mogens Steen Jønsson Henrik Tange Side 2 af 42

3 2 Indholdsfortegnelse 1 Forord Forkortelser og Terminologi Introduktion Problemformulering Projektafgrænsning Delmål Teori Mikroprocessorer & Udviklingskit RS232 Seriel Kommunikation Pinout Accustic Doppler Current Profiler Dopplereffekt Relæer og strømstyring Offshore Kommunikation ADCP Opsætning Arduino IDE Produktløsning Konstruktion Produktudvikling Arduino mikroprocessor Printkonstruktion og udvidelsesmuligheder Valg af netop Arduino Ethernet og SD kort SD kortet Relæstyring GPS Egenskaber Formater RS232-TTL konverter G modem Opsætning Strømforbrug vs. Tiden forbundet Online Strømforbrug Side 3 af 42

4 11.1 Effekt og batterilevetid Software Watchdog Main loop (main.pde) Intern timer (itimer.pde) GPS lokation (mygps.pde) Data modtager (myadcp.pde) Data logging (logging.pde) System log ADCP log Temperatur (temp.pde) Hardware & Schematics Relæstyring Temperatursensor Konklusion Fremtidsplaner og idéer Referencer Bilag Side 4 af 42

5 3 Forkortelser og Terminologi I rapporten findes mange engelske termer grundet udviklingsmiljøets og teknologiens brug af netop engelske fagudtryk. Læser bør være opmærksom på, at Dansk Hydraulisk Institut og DHI Vand & Miljø hører under samme firma, som igennem denne rapport benævnes med forkortelsen DHI. 4 Introduktion DHI Vand og Miljø opererer særligt til søs og benytter som led i deres projekter brugen af højteknologisk måleudstyr beliggende under vand. Deres måleudstyr er ofte placeret på dybt hav og har derfor typisk lang afstand til fastlandet. Disse installationer også kaldet målestationer har til formål at kortlægge bølgehøjder, strømretning, temperatur og konduktivitet i farvandet, som generer en stor mængde data. Målestationerne er batteridrevne og udformet i bøjer. De bliver forankret til havbunden med en dybde ned til 80 meter. Deres placering og fysiske størrelse taget i betragtning gør det yderst omkostningsfulgt at servicere og vedligeholde disse målestationer. Derudover spiller vind og vejr også en betydelig rolle. Fysisk kontakt til målestationen holdes derfor på et minimum, hvilket stiller store krav til, at batterierne skal kunne levere strøm til bøjerne i så langt tid som muligt. En særlig vigtig faktor er derfor strømforbruget. DHI bruger telekommunikationsudstyr til at holde kontakt med bøjerne, der melder tilbage med de målinger, som stationen foretager sig. Måleresultater fra en sonar ADCP (Accustic Doppler Current Profiler) udgør den primære data, men også mindre måleudstyr kan være et krav. Måleresultater transmitteres løbende til DHI s DataCenter fra de enkelte instrumenter. Når der tages fysisk kontakt til en målestation, afmonteres hver måler og batterierne bliver udskiftet med nye. I samme omgang tages en manuel backup af alt data, som er gemt i måleinstrumenternes egen hukommelse. 5 Problemformulering DHI har udtrykt, at de ønsker udvikling af et kommunikationsmodul til optimering af deres dataoverførsel med særlig henblik på: Mindske et hidtil højt energiforbrug Forbedre muligheden for overvågning af målestationer Nemmere adgang til rådata navnlig ved servicering Side 5 af 42

6 6 Projektafgrænsning Projektet har til formål at udvikle et kommunikationsmodul, der kan varetage alle inputs og optimere brugen af dataoverførsel mellem målestation og DHI s DataCenter. Det er essentielt, at kommunikationsmodulet kan interagere med DHI s måleudstyr (placeret under vand) via undervandskabler og en seriel kommunikation. Kommunikationsmodulet skal løbende kunne gemme måleresultater samt klokkeslet og viderebringe den nødvendige information til DHI s DataCenter, således en grafisk præsentation af bølger kan udarbejdes. 7 Delmål I et forsøg på bedre at kunne styre udviklingsprocessens mange stadier er der fastlagt en række milepæle for projektet: Første milepæl er research af hardware og udstyr, heriblandt sonar ADCP er og den måde måleresultater bliver sendt. Anden milepæl er research og indkøb af den elektronik, som skal udgøre kommunikationsmodulet. Heriblandt: a. En mikroprocessor b. En GPS (Global Positioning System) modtager og antenne c. SD (Secure Digital) kortholder + mikrosd d. Ethernet Interface Module e. HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) modem + 3G sim-kort f. Relæer, RS232-TTl konvertere, Subcon-connectors batteripakke og øvrige komponenter. Tredje milepæl er software til modtagelse af data fra sonar ADCP Fjerde milepæl er implementering GPS Femte milepæl er Ethernet samt forbindelse med 3G modem Sjette milepæl er at få hvert modul ADCP, GPS, Ethernet og 3G modem til at fungere som en helhed med en mikroprocessor som styre- og hovedenhed. Syvende milepæl er konstruering af beholder til opbevaring af kommunikationsmodul, batteripakke og antenner. Ottende milepæl omhandler diverse test og målinger (inkl. det samlede strømforbrug) I tidsplanen (bilag 1) præsenteres en detaljeret oversigt over arbejdsgangen og de enkelte stadier i projektforløbet. Der afprøves løbende test af hardware samt dokumentation til udarbejdelse af rapporten. Side 6 af 42

7 8 Teori 8.1 Mikroprocessorer & Udviklingskit En mikroprocessor er en elektronisk komponent, der håndterer processerne i et logisk kredsløb. En mikroprocessor tilbyder mange af de funktioner, som findes i en traditionel CPU (Central Processing Unit) samlet i en enkelt lille kreds. Den store fordel er, at der kræves et minimalt strømforbrug i forhold til velkendte CPU er. Dette gør dem ideelle i et projekt som dette, hvor strømforbruget ønskes lavt. Mikroprocessorer findes i udviklingskit velegnet til fremstilling af nyt elektronik. De bruges ofte som en platform til prototyper og er gerne små, lette og nemme at bygge om. Dele til udviklingskit kan købes enten samlet eller separat, hvortil der individuelt kan ændres på komponenter. 8.2 RS232 Seriel Kommunikation Seriel kommunikation med særligt henblik på RS232 (Recommended Standard 232) er en ældre kommunikationsform, der i dag er overgået af USB (Universal Serial Bus) i computerindustrien. Den serielle kommunikation med DB-9 stik er dog stadig at finde som en simpel direkte kommunikation mellem elektroniks udstyr. Selvom den moderne USB er hurtigere, bruger mindre strøm og er designet med henblik på at samle alt udstyr under én fælles universel standard, er kommunikationsformen samtidig også mere kompleks og krævende med protokoller og drivere. RS232 standarden fastsætter, hvordan binære signaler som logisk 1 og 0 typisk fortolkes med spændingsniveauerne 3V til 15V, som set på Figur 1. Figur 1 RS232 TTL-niveauer Billede hentet fra Side 7 af 42

8 8.3 Pinout RS232 standarden fastsættes ligeledes med et DB9 stik, som er vist på Figur 2 nedenfor: Figur 2 DB9 Han-stik Billede hentet fra Der gøres opmærksom på, at ikke alle pins i DB9 stikket er nødvendige for kommunikation. En simplificeret udgave med brug af RxD, TxD og GND bruges blandt andet i dette projekt til kommunikation med ADCP og Arduino. Ved seriel kommunikation er der forskellige overførselshastigheder også kaldet baudrate, der ofte afhænger af den enkelte elektronik der tales med. En af de mest brugte er baudrate er 9600bps (bit pr. sekund). Hvor andre moduler som eksempelvis GPS typisk benytter en baudrate på 4800bps. 8.4 Accustic Doppler Current Profiler En Accustic Doppler Current Profiler (ADCP) er en sonar måler, der hyppigt anvendes i den maritime industri til måling under vand. En ADCP opnår sine resultater gennem lyd og beregning af dopplereffekten. Figur 3 RD Instrument Workhorse ADCP Sentinel En ADCP som set ovenfor (Figur 3) fra Teledyne RD Instruments skyder højfrekvent lyd ud gennem de 4 røde membraner. ADCP en afhænger af en såkaldt doppler-forskydning (se afsnit 8.5) og altså af den lyd, som kastes tilbage, når lydbølger rammer et andet objekt. Ud fra et frekvensskift i lyden kan en ADCP beregne afstanden i forhold til den tid lyden tager om at returnere. Side 8 af 42

9 8.5 Dopplereffekt Dopplereffekten er beviset på, hvordan lyd eller lys skifter karakter i bevægelse. 1 Et eksempel er når man oplever en ambulance passere med sirenen tændt. Lyden syntes at skifte tonehøjde, idet ambulance passerer forbi. Dopplereffekten opkaldt efter Christian Doppler, beskriver, hvordan bølgefænomener (særligt lyd) opfattes med en stigende frekvens (højere tone) i takt med, at lyden kommer nærmere. Modsat gælder det, at når lyden passerer, falder frekvensen og lyden opfattes med en lavere tone. 8.6 Relæer og strømstyring Relæer fungerer ved, at en spole trækker i en kontakt ved hjælp af magnetisme. Når relæets spole tilføres spænding, dannes der en elektromagnetisk tiltrækning til en metallisk vippekontakt, som skaber forbindelse mellem to ben. Afhængig af spolemodstanden kan spændingen til spolen variere, men er gerne lille og derfor ideel som kontakt til en endnu større spænding. Ønsker man eksempelvis at styre en 230 Volt spænding via. en mikroprocessor, som ikke kan tåle mere en 5 Volt, benytter man i stedet et relæ som kontakt. Når man anvender et relæ, er det vigtigt at lægge mærke til parameter som: Maksimal effektafsættelse, spolemodstand, strømstyrke og spænding. For ikke at ødelægge relæet er det nødvendigt at vide, hvor meget spænding man vil tilføre eksempelvis 4 5 Volt fra en mikroprocessor. Ud fra spændingen og spolemodstanden i relæet kan man beregne strømstyrken som: hvor U = Spændingstilførsel [V] R = Spolemodstand [ ] I = Strømstyrken [A] Ud fra strømstyrken kan man beregne effektafsættelsen som: P = Effekt [W] hvor Det er essentielt, at effektafsættelsen ikke overstiger den angivne maksimale effektafsættelse for det pågældende relæ. Derfor bør man som udgangspunkt finde et relæ, der matcher installationen med mindst mulig effektafsættelse. 1 Side 9 af 42

10 Ser man matematisk på de to udregninger, vil man opdage, at jo større spolemodstand jo lavere strømstyrke og deraf opnås en mindre effektafsættelse. En ting man også skal være opmærksom på, er konsekvensen ved magnetisk afbrydelse - nemlig back-emf. Når relæet afbrydes, opstår der en elektromotorisk kraft, som kan gå imod strømmen. Til at løse problemet, bør man ensrette strømmen henover spolen (eksempelvis med en diode). 8.7 Offshore Kommunikation På fastland er der en bred vifte af kommunikationsteknologier enten via fastnet med kabelføring eller over et WAN netværk som GPRS, EDGE eller WCDMA (3G). Alle teknologierne har efterhånden dækning over hele landet. Men ved installationer, der skal placeres på dybhav og hvor afstanden til fastland er for stor til kabelføring, indskrænkes mulighederne betydeligt. I sådanne tilfælde vil man oftest vælge en satellitløsning, da lokationen i modsætning til traditionel telekommunikation spiller en mindre rolle. Til gengæld er satellitkommunikationen en stor økonomisk udgift, hvor taksterne i en vis grad er højere end på et traditionelt telenetværk. Projekt vil blive testet ud for Avedøre havn, hvor dækningsgraden er høj, vil der i første omgang benyttes et HSDPA modem. Et data-simkort er indkøbt fra teleudbyder: 3 (Hi3G Danmark Aps), der har det højeste signal ud for Avedøve. Se Figur 4 for en detaljerede oversigt. Figur 4 Dækningsgrad for WCDMA og EDGE i Avedøre Side 10 af 42

11 De mørkeblå skraverede områder repræsenterer WCDMA (Wide Code Devision Multiple Access) i daglig tale også kaldet 3G. Lyseblå områder indikerer lavsignalet EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). WCDMA leverer datatransmission op imod 16 Mbit/s 2 EDGE leverer datatransmission op imod Kbit/s GPRS leverer datatransmission op imod Kbit/s 8.8 ADCP Som i de fleste projekter på DHI benytter man en ADCP til opmåling af havbunden, temperatursvingninger og ikke mindst havets strømninger. En ADCP generer adskillige målinger indenfor et givent interval, et såkaldt Ping-area. ADCP en udregner middelværdien af resultaterne i dette interval og lagrer derefter den nødvendige information. Afhængig af måden DHI måler på og de krav der stilles mht. præcision, indstilles ADCP er forskelligt Opsætning ADCP en i Avedøre bliver indstillet til at pinge nye målinger hver 10 minut, imens kommunikationsmodulet samler alle resulter for den sidste times resultater i én logfil som kan tilgås via Internettet. 8.9 Arduino IDE Til programmering og software redigering benyttes Arduino IDE editor, der har færdige genveje til upload af kode til mikroprocessoren. 9 Produktløsning Produktløsningen bygger på en Arduino Mega2560 mikroprocessor, der fungerer som kommunikationsmodulets hjerne. Den varetager alt datakommunikation inklusiv resultater fra en ADCP. Mikroprocessoren sørger for, at alle målinger bliver logget på et eksternt Micro SD kort sammen med dato og klokkeslæt styret via en GPS. Derudover kontrollerer mikroprocessoren dens egen fysiske lokation (længdegrad og breddegrad), som den modtager af GPS en. Alle resultater samles og pakkes i logfiler, som DHI s DataCenter kan downloade via 3Gmodemet. For mindske strømforbruget fungerer mikroprocessoren samtidig som strømstyringsboks, der med relæer kan tænde og slukke hver enkelt enhed individuelt. Forbindelsen til særligt strømslugende enheder som GPS og 3G modem afbrydes således, når de er inaktive. I stedet for at der løbende sendes små mængder data for hver enkelt måling, sker dataoverførsel via 3G modem kun i givne intervaller, eksempelvis for hver time. 2 Målinger ifl. 3Danmark er vejledende hastigheder, som kan variere afhængig af sendesignalet. Side 11 af 42

12 Gennem hardwareprogrammering vil mikroprocessoren være i stand til at varetage alle disse opgaver fuldt automatisk. En indbygget klok/timer hjælper mikroprocessoren til løbende at holde styr på, hvilke af systemets processer, der skal eksekveres og hvornår. Endeligt bliver der bogført med en system log, hvori der noteres, hvornår hvilke processer sidst er blevet kørt. Dette er et vigtigt redskab til en evt. fejlsøgning. Man skal være opmærksom på, at der i system loggen også indgår andre parametre, som blandt andet spændingsniveauet på batteri og evt. temperatur. En grafisk illustration over produktløsningen ses på Figur 5 nedenfor. Figur 5 Oversigt over produktløsning Side 12 af 42

13 9.1 Konstruktion Hele systemet er bygget ind i en trykvandsbeholder svarende til ADCP en. Beholderen er solidt konstrueret i et ikke-metallisk ledende materiale stærkt nok til at modstå trykket ved dybde ned til 200 meter under vand. Fordelen ved beholderen er, at undervandsstikket fra ADCP passer direkte med et stik i låget og slutter fuldkommen tæt omkring med O-ringe. Alt hardware vil være afskærmet fra vand og bølger. Figur 6 Fysisk konstruktion af beholder Til at drive hardwaren sidder der i den nederste halvdel af beholderen en specielt konstrueret batteripakke, der passer ind i den cylindriske trykvandsbeholder (se Figur 6). Batteripakken indeholder 2 x 4 stk. litium-ion batterier á 3,6 Volt, som i alt giver en 14,4 Volt forsyningsspænding. Forsyningsspændingen tilpasses senere af mikroprocessoren til henholdsvis 5 Volt og 3.3 Volt ved hjælp af en spændingsregulator. Den øvre halvdel udgør pladsen til: Mikroprocessor, Ethernet, RS232-TTL, Analog/Digital - Konverter, 3G Modem, Ethernet og SD modul samt GPS og tilhørende antenner. Særligt GPS antennen er placeret øverst vandret ovenover alt andet for at opnå bedst mulig signalforhold. Side 13 af 42

14 10 Produktudvikling 10.1 Arduino mikroprocessor Til projektet benyttes et færdigt udviklingskit fra producenten: Arduino 3 (Se Figur 7og Figur 8). Mikroprocessoren, der danner grundlag for hele systemet, er en 16 MHz Atmel Mega 2560 med 256 KB hukommelse. Mega2560 modellen har et utal af digitale porte samt 4 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) ideelt til kommunikation med anden seriel hardware heriblandt en ADCP og GPS. Figur 7 Arduino MEGA 2560 mikroprocessor Figur 8 Arduino MEGA 2560 mikroprocessor 3 Arduino: Italiensk virksomhed med speciale i udvikling af open-source baseret hardware og software. Side 14 af 42

15 Tabel 1 nedenfor angiver generel information om Arduino Mega For yderligere specifikationer henvises til databladet bilag 4. Type ATmega2560 Forsyningsspænding 5V Indgangsspænding (anbefalet) 7-12V Indgangsspænding (begrænsning) 6-20V Digital I/O Pins 54 (of which 14 provide PWM output) Analoge indgange 16 DC Strøm pr. I/O Pin 40 ma DC Strøm ved 3.3V Pin 50 ma Flash Memory 256 KB (8 KB optaget af bootloader) SRAM 8 KB EEPROM 4 KB Clock hastighed 16 MHz Tabel 1 Arduino Mega2560 Et Schematic af Arduino Mega2560 printkortet er desuden vedlagt i bilag Printkonstruktion og udvidelsesmuligheder Printet er konstrueret således det nemt kan udvides med anden hardware. Øvrige print stables ovenpå på det forrige, imens diverse porte og analoge pins føres videre til næste print gennem stackable headers og stiflister (se Figur 9). Figur 9 Stackable header Konstruktionen gør produktet utrolig nemt at arbejde med og mindsker brugen af ledninger til forbindelse med anden hardware. Eftersom alle Arduino produkter er opbygget efter samme koncept betyder det, at udvidelsesmoduler oftest passer til flere forskellige Arduino mikroprocessorer. Skulle der opstå et ønske om at bruge en anden mikroprocessor fra Arduino, vil øvrig hardware derfor stadig passe til uden at der kræves de store ændringer til installation. Side 15 af 42

16 Valg af netop Arduino Arduino tilbyder en lang række udvidelser til deres produkter. Som eksempelvis kan der af tilbehør nævnes: SD kort & microsd kort 4 Ethernet LAN moduler 5 GSM moduller 6 Strøm og spændingsmåler 7 RFID (Radio Frequency Identification) 8 Kompas moduler 9 En stor del af disse moduler er udviklet specifikt til Arduino mikroprocessorer og er ofte blevet godkendt og certificeret af Arduino. Derudover er Arduino en virksomhed, der går ind for open-source software, hvilket betyder, at enhver kan modificere og videredistribuere kode til deres produkter. Derfor findes der i dag et stort udviklingsmiljø (også udenfor Arduino eget udviklingsteam), som løbende udvikler nyt til Arduino platformen. Valget af mikroprocessor bygger ikke alene på de mange udvidelser. I beslutningsprocessen blev der sammenlignet på flere områder heriblandt: Strømforbrug Hastighed Antal af digitale og analoge porte Lagerkapacitet UART Operationel temperatur Ethernet adgang Support Valget stod imellem 6 spidskandidater, som er beskrevet i tabel 2 til 8 nedenfor: Ethernut ETH 1 Processor ATmega 128, 32KB SRAM COM I/O RS232 Ethernet 10Mbit Antal Porte 20 Analog, 17 Digital Operationel Temperatur > 0 Egenskaber Indbygget power-down mode. Tabel Side 16 af 42

17 Ethernut ETH 2 Processor COM I/O Ethernet Antal Porte Operationel Temperatur -40 til +85 Egenskaber - Tabel 3 Tabel 4 ATmega 128, 512KB SRAM, 512KB Flash Ram RS Mbit 20 Analog, 17 Digital Ethernut ETH 3 Processor ATmel ARM7, 256KB SRAM, 8MB NAND Flash COM I/O RS232 Ethernet 100Mbit Antal Porte 0 Analog, 17 Digital Operationel Temperatur > 0 Egenskaber RS482, MMC-Card Arduino UNO SMD Processor ATmega 328, 2KB SRAM, 32KB Flash Ram COM I/O USB Ethernet 100Mbit Add-on module Antal Porte 6 Analog, 14 Digital Operationel Temperatur > 0 Egenskaber - Tabel 5 Tabel 6 Tabel 7 Arduino Mega Processor ATmega 2560, 8KB SRAM, 256KB Flash Ram COM I/O USB, 4 x Serial RX-TX Port Ethernet 100Mbit* Add-on module Antal Porte 16 Analog, 54 Digital Operationel Temperatur > 0 Egenskaber GSM, WiFI, BlueTooth, GPS, SD-Card Secret Labs - Netduino Processor ATmel ARM7, 64KB SRAM, 256KB Flash Ram COM I/O MiniUSB 1x Serial RX-TX Port Ethernet 100Mbit* Add-on module Antal Porte 6 Analog, 14 Digital Operationel Temperatur 0 til 70 Egenskaber GSM, WiFI, BlueTooth, GPS, SD-Card Netduino en, som er en afart af Arduino, var meget interessant, da den tilbød mange af de samme muligheder (GPS, SD-Card og WiFi). Netduino var tilmed overlegen med sin 48 MHz ARM7 processor. Alligevel forblev valget Arduino, da Netduino stadig er i en meget tidlig udviklingsfase og hvor der på nuværende tidspunkt er meget begrænset hjælp at hente. Side 17 af 42

18 Netduino en har derudover kun én UART, imens Arduino Mega tilbyder hele 4 stk. Da al kommunikation kommer til at foregå gennem UART s, blev Arduino Mega derfor fundet bedre egnet til dette projekt Ethernet og SD kort På nedenstående billede (figur 10) ses Arduino Ethernet Shield. Figur 10 Arduino Ethernet Shield For at kunne tilgå måleresultaterne via Internettet benyttes et såkaldt Ethernet Shield, der er et udvidelsesmodul til Arduino, hvor printkortet igen er beregnet til at stables. I kombination med et WAN modem vil det være muligt at sende og modtage TCP IP pakker over et 3G netværk for på den måde at sende logfiler med måleresultaterne hjem til DHI s DataCenter. Ethernet printet benytter sig af en W5100 kreds fra Wiznet, der leverer 10/100 MBit. Hele opsætningen IP, MAC, og Gateway er programmerbart og styres derfor via mikroprocessoren. Til udvikling af software bruges det medfølgende Ethernet.h bibliotek SD kortet Ethernet kortet har som førnævnt foruden et ethernet interface også en microsd kortholder. Kortholderen udnyttes i projektet til at lagre måleresultaterne fra ADCP en i en ADCP logbog samt en system logbog, hvor statusinformation og GPS-data løbende bliver gemt. Således går måleresultaterne ikke tabt i det tilfælde, at der ikke kan opnås forbindelse til Internettet. Eksempelvis hvis dækningen i området falder eller der opstår problemer fra teleudbyders side. Side 18 af 42

19 Kortholderen kan håndtere microsd kort optil 16 GB ved FAT32 (File Allocation Table 32), hvilket er nok til mange års dataopsamling. En enkelt måling fra ADCP en resulterer i 125 tegn altså 125 Byte svarende til 0,12207 KB. 10 Når resultatet gemmes i tekstfil som logbog, optages der dog minimum 4 KB i processen. Stadigvæk minimalt i forhold til den samlede plads af mere end 4 millioner logfiler som et 16 GB hukommelseskort svarer til. På kortholderen kan det aflæses, om et hukommelseskort sidder monteret eller ej, hvilket kontrolleres i den indledende del af programmet Relæstyring For at kunne tænde og slukke for strømmen til 3G modem (eller andet strømslugende hardware) er der lavet en relæstyring. Mikroprocessorer, heriblandt Arduino Mega, kan som udgangspunkt maksimalt levere 5V ved 50mA, hvilket ikke er nok til at drive et 3G modem. I stedet anvendes et relæ som tænd/sluk-kontakt mellem batteriets 14,4 V forsyning og 3G modemmet. Så snart relæets spole tilføres en spænding på min. 2 volt, slår kontakten til og der skabes forbindelse. Fjerner man spænding til spolen vipper kontakten straks tilbage og forbindelsen afbrydes. På den måde kan mikroprocessoren reelt styre en hvilken som helst spænding, så længe relæet er i stand til at trække forbindelsen (se afsnit 8.6 Relæer og strømstyring) GPS For at kunne fastslå målestationens præcise position anvendes en GPS. Det har den fordel, at kontrolleren samtidig kan advare, hvis stationen eventuelt måtte rive sig løs og drive væk. Det er en situation DHI for enhver pris ønsker at undgå, navnlig hvis målestationen driver så langt væk, at den ikke længere kan lokaliseres. Med brug af GPS kan målestationen altid lokaliseres så længe der er strøm tilbage på batteriet. Skulle situation opstå, at målestationen pludselig flytter sig, kan det ses i systemloggen og kursen kan fastlægges. GPS anvendes også til mere præcist at fastslå dato og klokkeslet. GPS klokkeslæt er utrolig effektivt med nanosekunders præcision (svarende til 1 billiontedel af et sekund). 11 GPS klokkeslettet har den fordel, at mikroprocessoren ikke behøver nogen forudindstillet dato og klokkeslet, da tiden automatisk bliver indstillet allerede ved første GPS modtagelse og efterfølgende efter hvert sekund. Målestationen kender derfor altid den aktuelle tid selv efter en strømafbrydelse. En GPS vil typisk sende flere strenge med information. Afhængigt af hvilken streng der benyttes kan både længdegrad, breddegrad samt dato og klokkeslæt aflæses Egenskaber Afhængig af hvilken GPS, der er anvendes, kan præcisionen variere. Dyrt købte GPS moduler har gerne en mindre afvigelse end en traditionel GPS moduler og opdaterer ligeledes flere gange i sekundet. Til dette projekt er der valgt et billigere 1Hz GPS modul (se Figur 11), da den præcise 10 1 KB = 1024 Bytes 11 Kilde: David Buckman, United States Air Force Space Command i en dokumentar fra af Discovery Channel (Discovery Netvork International). Se klip: Side 19 af 42

20 lokation er knap så vigtig for en stationær installation. Havde det primære mål været at følge noget i bevægelse, kunne man have overvejet en anden GPS med højere opdateringsrate. Figur 11 Micro-mini GPS fra Sparkfun Electronics Micro-mini GPS med 1Hz opdatering, 3,3 Volt forsyning samt seriel interface er yderst anvendeligt til dette projekt. GPS en har en præcision indenfor 3 meter radius og understøtter desuden NMEA (National Marine Electronics Association Standard) (se afsnit Formater). Ifølge Sparkfun Electronics forbruger GPS en 36mA ved 1,8V, men målinger foretaget under test viser, at GPS en, når aktiv, kun forbruger knap 21mA (se afsnit 11 Strømforbrug). Det formodes, at de 36mA er et max under load, når GPS skal tracke sig ind på en satellit eller hvor signalet er for lavt. Derudover har GPS en variabel klartid mellem 1 og 35 sekunder, hvilket vil sige, at hvis GPS en fornyligt har været i gang og kun midlertidigt var afbrudt, så er klartiden (fra tændt til GPS data modtages) under 1 sekund. Dette skyldes, at GPS gemmer til egen hukommelse og benytter tidligere data til hurtigere at fastslå den aktuelle position samt dato og klokkeslæt. Funktionen kaldes Cold Start Mode and Hot Start Mode. Hvis GPS afbrydes kortvarigt ses det tydeligt, hvordan information om dato og klokkeslæt efterfølgende optræder nærmest øjeblikkeligt, mens længdegrad og breddegrad ligeledes fastslås indenfor 300 km præcision på få sekunder. Hvis der ikke findes nogen information i RAM eller, at der er gået tilstrækkelig lang tid siden GPS en sidst var aktiv, starter GPS en i Cold Start Mode og klartiden strækker sig op til 35 sekunder Formater GPS en sender løbende en streng af data, der i alt indeholder både længdegrad, breddegrad, dato, tid, højde, fart, signalstyrke etc. Hver streng er angivet efter det Amerikansk NMEA format, som er et velkendt format i den maritime industri og ligeledes oplagt for DHI og DHI s kunder. Kendetegnet ved netop NMEA formatet er, at hver enkelt streng starter med $GP... efterfulgt af et typenavn, som eksempelvis RMC (Recommended Minimum Data for GPS). Hver streng har sine værdier: fart og tid etc. der alle er separeret med et komma. Hver streng afsluttes med en checksum, der kontrollerer for om data skulle gå tabt i overførslen. Side 20 af 42

21 Et eksempel på GPRMC strenge ses nedenfor: $GPRMC,123519,A, ,N, ,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A Hvor følgende er repræsenteret i Tabel 8: Coordinated Universal Time (UTC) 12:35:19 A Status A=aktiv, V=void ,N Længdegrad Nord ,E Breddegrad Øst Fart over jorden opgivet knob Hældningen i grader ift. satellit Datoen: 13. maj ,W Magnetisk variation mellem magnetisk og geografisk Nord. *6A En checksum Tabel RS232-TTL konverter En RS232-TTL konverter bliver brugt til kommunikation mellem ADCP og mikroprocessorens UART. På beholderen sidder et vandtæt subcon stik, der forbindes til ADCP en. Stikket i beholderen, hvor mikroprocessor og andet hardware er gemt, splittes på indersiden af beholderen så de 3 ledninger: RxD, TxD og GND er separeret. Tilsammen er de nok til at modtage måleresultaterne fra ADCP en. Med brug af en RS232-TTL konverter ændres spændingsniveauerne på udgangen, så de passer til mikroprocessoren (0 5Volt) G modem 3G modemmet (Huawei model B260a) er leveret sammen med data-simkortet fra teleudbyder 3 Danmark. B260 har et standard SMA-stik og en medfølgende Omni-antenne. Denne kan om nødvendigt udskiftes med en retningsbestemt antenne, afhængig af hvordan signalforholdet ser ud, når installation monteres i Avedøre. Derudover har modemmet 4 Ethernet porte og en USB- B port som forbindelse til en AC/DC strømforsyning. Strømforsyning er dog ikke interessant da der ikke er 230Volt på havet, og spændingsforsyningen kommer i stedet fra relæet med 5V og 2A som modemmet kræver Opsætning Modemmet er fra standard sat op til at bruge en dynamisk IP, som automatisk bliver tildelt af udbyder. For hurtigere at opnå forbindelse og undgå evt. IP timeout s er der dog investeret i en fast IP. For at indstille modemmet korrekt er APN (Access Point Name) derfor ændret til Static med adressen: static.tre.dk som angivet af 3Danmark 12 (se Figur 12) Side 21 af 42

22 Figur 12 Profil indstilling for 3G modem Ethernet modulet, der forbinder mikroprocessoren med netværket er tilsluttet første ledig port på 3G modemmet. For at få direkte adgang til Ethernet modulet og server-siden er det nødvendigt at offentliggøre IP en til Ethernet modulet. Dette sker ved at udnytte DMZ funktionen på 3G modemmet. DMZ(Demilitarized Zone) er en måde at blotte én bestemt IP, så udefrakommende får direkte adgang. For ikke at alle og enhver kan tilgå modulet, er der dog opsat en række regler for indkommende trafik, hvor kun DHI s IP-adresse er godkendt Strømforbrug vs. Tiden forbundet Online Strømforbruget er ifølge Huawei-producenten angivet til knap 8 Watt, hvilket er mere end 8 gange så meget som resten af den elektronik, der udgør kommunikationsmodulet. Baggrunden for at udvikle et nyt kommunikationsmodul er netop at holde strømforbruget lavt. Derfor er mikroprocessoren indstillet til kun at tænde for relæet (og dermed forbindelsen til 3G modemmet) få gange om dagen. Tidspunktet for, hvornår måleresultater kan downloades kan justeres efter behov i softwaren. Ligeledes kan tiden for, hvor længe modemmet er tændt justeres. Det antages ud fra logfilernes størrelse (ca. 10KB pr. time) at måleresultater for en hel dag á 24 timer kan overføres på minimal tid. Et teoretisk gæt på, hvor lang tid det vil tage at overføre måleresultater for en 24 timer, med formodet GPRS dækning á 150kbit pr. sekund vil resultere i: Side 22 af 42

23 11 Strømforbrug Nedenstående Fejl! Henvisningskilde ikke fundet. viser, hvordan strømforbruget varierer raftigt afhængigt af, om Ethernet modulet er i brug. Strømforbrug 70,1mA 91,0mA 165,3mA 186,5mA 230,9mA 232,7mA 252,3mA Mikroprocessor Ethernet SD GPS Tabel 9 Gennemsnitsforbrug ved 14,4 volt målt i serieforbindelse med fast strømforsyning Ved både Ethernet og SD stiger strømforbruget kun meget lidt i forhold til, hvis kun Ethernet var tændt (dvs. uden SD). Dette skyldes en hardware konstruktion, hvor Ethernet og SD reelt sidder som ét modul, der begge benytter samme kreds og mange af de samme komponenter (se Figur 13). Strømfordeling 20,9mA 6% 160,8mA 46% Mikroprocessor 70,1mA 20% 256mA 74% 95,2mA 28% GPS Ethernet SD Figur 13 Diagram over strømfordeling ved 14,4 Volt 11.1 Effekt og batterilevetid Batteriet leverer 133Ah (ampere timer) ved de 14,4 Volt. Derfra kan effekten beregnes som: Side 23 af 42