Apie įterptines sistemas labai paprastai (1)

gps imtuvas

Be informacijos apdorojimo technologijų neįmanoma dabartinės visuomenės raida. Tai susiję ne vien su IT galimybėmis, bet ir atsinaujinančios visuomenės gebėjimu įsisavinti IT pasiekimus. Prisiminkime kad ir mobiliųjų telefonų paplitimą – ar prieš 20 metų labai daug kas iš mūsų galėjo įsivaizduoti, kad atokiuose kaimuose mobilusis ryšys bus būtinesnis negu didmiesčiuose (iškviesti greitąją pagalbą,It is related not only to IT [kkstarratings] possibilities but also with the ability of the shifting society to master these IT achievements. Let’s take a look to the spread of mobile phones: 20 years ago very few of us could imagine that mobile network will be even more important in remote villages than in big cities (for calling an ambulance, fire protection ambulance, police, or an electrical maintenance specialist). priešgaisrinę apsaugą, policiją ar elektros tinklų priežiūros specialistą) – kaimo senoliai dabar visi pripažįsta mobiliojo ryšio svarbą: pabendrauti su kaimynais ar mieste esančiomis atžalomis. Mažai kas pasvajodavo net apie tokią galimybę. Vienokia ar kitokia dominuojanti pažangos rūšis grįžtamuoju būdu keičia ir tolimesnę visuomenės raidos kryptį.

Nesudėtingoms specializuotoms užduotims spręsti plačiausiai naudojamos įterptinės sistemos (ĮS). ĮS – į sudėtinį įrenginį įterptos elektroninės sistemos, atliekančiosi įrenginio valdymo funkcijas pagal užduotą programą. Šios sistemos vadinamos įterptosiomis, nes dėl mažų gabaritų jas galima įmontuoti, įterpti į tą patį įrenginį, kuriam valdyti jos sukurtos. Vartotojas nė nepastebi, kad tokia ĮS tyliai, greitai ir patikimai atlieka intensyvų darbą jo naudojamame įrenginyje.

Įterptinių sistemų sandara, struktūrinės dalys

ĮS – tai sistemos, skirtos vykdyti specializuotas funkcijas ir sukurtos specialiųjų mikroprocesorių pagrindu. Tokių sistemų branduolį sudaro mikroprocesorius (MP), sujungtas su įvedimo įrenginiais, pvz., jutikliais ar kitomis komunikacijos sąsajomis, ir išvedimo įrenginiais, perduodančiais valdymo komandas vykdomiesiems įrenginiams.

Į įterptinę sistemą galima žiūrėti kaip į sudarytą iš fizinių dalių – modulių. Pagrindinė ĮS sudedamoji dalis yra skaitmeninis MP arba branduolys (angl. kernel), atliekantį programuojamą skaitmeninės informacijos apdorojimą. Sudėtingesnėse ĮS gali dirbti ne vienas, o keliolika ar net keliasdešimt MP. Prie MP prijungiami specializuoti komponentai, skirti informacijai surinkti, matuoti, diagnostikai ir skaitmeniškai apdoroti – koduoti, dekoduoti, formuoti valdymo signalus, informacijai perduoti ir t. t. MP dirba tik su skaitmeniniais duomenimis, neturi galimybės sąveikauti su išoriniais prietaisais, kol jo rodmenys nevirsta skaitmeniniais signalais. Jutikliai verčia išorinio prietaiso rodmenis (pvz., temperatūrą, slėgį, šviesos srautą, vėjo greitį) į elektrinį potencialą (tai analoginis signalas), o šį perduoda keitikliui, analoginį signalą verčiančiam skaitmeniniu. Skaitmeninis signalas (duomenys) jau tampa tinkamas apdoroti skaitmeniniu MP. Įterptosiose sistemose duomenims apdoroti naudojami 8, 16 ir pastaruoju metu – jau 32 skilčių MP. Patys MP nėra specializuoti pagal atskirus uždavinius, jie gaminami įvairioms ĮS. Tai technologinė-aparatinė dalis – jutikliai, MP, valdikliai, elektroninės plokštės, jungiamosios dalys. Šiai (pirmajai) daliai sukurti reikalingos sudėtingos, brangios technologijos, cheminės medžiagos, specializuota įranga ir, savaime suprantama, aukštos kvalifikacijos specialistai-technologai.

Duomenis MP apdoroja ir komunikuoja su aplinkiniais įrenginiais pagal užduotus algoritmus – specialią programinę įrangą. ĮS programinė dalis – programinis kodas ruošiamas lygiagrečiai su kuriama aparatine dalimi, nes dažniausiai skirtas vien tik šiai įrangai, nepasižymi universalumu ir kito gamintojo įrangai visiškai netinka. Šiai antrajai ĮS daliai jokios aukštosios technologijos nepadės, bet jos čia nelabai ir reikalingos – tik kompiuteris, specializuota programinė įranga ir gerai paruošti specialistai – intelekto resursai.

Įterptinių sistemų taikymas

ĮS aprėpia įvairius šiuolaikinio gyvenimo, veiklos aspektus ir naudojamos siekiant užtikrinti valdymo lankstumą, efektyvumą ir funkcionalumą. ĮS taikymas apima plačias sritis – nuo nešiojamų prietaisų, pvz., skaitmeninių laikrodžių iki stacionarių ir labai didelių įrenginių, pavyzdžiui, gamybos procesų valdiklių, dujų, naftos vamzdynų, energijos tiekimo sistemų apsaugos arba sistemų, kontroliuojančių atomines elektrines, naftos, chemijos gamyklas.

ĮS dažniausiai būna pastoviai (nelanksčiai) integruotos kaip sudėtiniai įtaisai į techninę ir mechaninę įrenginio dalį. Kadangi ĮS mikroprocesoriai yra skirti tik specifinėms, apibrėžtoms užduotims atlikti, dėl to galima supaprastinti (optimizuoti) ĮS dizainą, taip sumažinti dydį, padidinti veikimo greitį, efektyvumą ir patikimumą. ĮS konstrukcijos paprastumas lemia gamybos masiškumą ir atpigina gamybą. Ir priešingai, ĮS, skirtos bendrosios paskirties kompiuteriams, pvz., asmeniniam kompiuteriui, turi būti lanksčios, universalios ir patenkinti įvairius galutinių vartotojų poreikius, esant mažesniems reikalavimams, gabaritams ir bendrajam sistemos greičiui.

Aiškesniam vaizdui apie ĮS paplitimą susidaryti – keletas konkretesnių ĮS taikymo sričių pavyzdžių:

Patalpų klimato kontrolė ir apsauga

Automatizuotos patalpų drėgmės, šilumos, ventiliacijos režimo palaikymo sistemos naudoja į vieną tinklą per ĮS valdomas sistemas sujungtus termostatus, šviesos daviklius, oro drėgmės matuoklius (higrometrus). Tai leidžia tiksliau ir efektyviau kontroliuoti temperatūros, drėgmės ir kitus parametrus. Be to, į sistemą įjungiama dar ir patalpų apsaugos sistema – dūmų, judesio, langų dužimo detektoriai. Juos galima keisti priklausomai nuo paros ir metų laiko. Namų įranga naudoja laidinio ir bevielio ryšio tinklus, kurie gali būti pasitelkti siekiant kontroliuoti šviesą, patalpų klimatą, saugumą, įrašyti garsą, vaizdą ir t. t. Ypač sudėtingos sistemos naudojamos muziejų vertybių apsaugai – detektoriai prie kiekvieno eksponato.

namo-saugumas
Pav. 1 Saugių namų sistemos. Piešiniai iš „Sum Security” ir „Home Security System” svetainių.

Visi šie įrenginiai naudoja ĮS valdyti ir surinkti duomenis realiuoju laiku. Kalbant apie patalpas, reikia paminėti sudėtingų ĮS naudojimą patalpų apsaugai, kurios užprogramuojamos įvertinti padėties sudėtingumą, pavojingumą. Priklausomai nuo situacijos įverčio, arba įrašo vaizdą ir garsą, arba perduoda pavojaus signalą telefono laidais ar bevieliu ryšiu (kartu su vaizdo įrašo fragmentais) kitur esantiems apsaugos darbuotojams, o pačiam patalpų šeimininkui perduoda signalą apie pažeistą apsaugos sistemą.

Aišku, tokia kompleksinė sistema (sukomponuota iš kelių ar keliolikos atskirų ĮS, aprūpinta jautriais davikliais) turi turėti autonominį maitinimą, kuris, įsilaužėliui net ir nutraukus išorinį maitinimą, dar kurį laiką galėtų persiųsti bevieliu ryšiu duomenis apie objekte esamos situacijos dinamiką nutolusiam serveriui. Ta pati sistema galėtų stebėti ir priešgaisrinę situaciją, lokalius padidėjusios šilumos židinius, dūmų ar anglies monoksido kiekį. Tokios sistemos kuriamos ir Lietuvoje, bet didesnę paklausą turi tarptautinėje rinkoje.

Transportas – navigacija

gps-imtuvas
Pav. 2. GPS imtuvas. Nuotrauka iš Wikipedijos

Šiuolaikinės pažangios transporto sistemos nuo automobilių, lėktuvų iki geležinkelių ar laivybos absoliučiai priklausomos nuo ĮS. Jų dėka laivai, naujieji lėktuvai (arba povandeniniai laivai) naudodami pažangiausius avionikos prietaisus, pvz., giroskopų ir akselerometrų parodymų integravimą (o tai atlieka ĮS), gali orientuotis tam tikrą laiką erdvėje visiškoje tamsoje ir be ryšio su GPS ar antžeminėmis lokacinėmis sistemomis (Inercinė orientavimo sistema). GPS imtuvai dėl pažangos ĮS technologijų srityje taip atpigo, kad dažnas į mišką grybauti ar uogauti be jo neina. O keliaujant automobiliu svetimoje šalyje orientuotis be GPS gali tik retas vairuotojas.

Navigacinės sistemos ir laivyboje, ir aviacijoje padeda išvengti daugelio katastrofų, nepaisant to, jų vis dar pasitaiko. Nebeįsivaizduojamas ir geležinkelių, aviacijos, jūrų transporto dispečerių darbas be greitaveikių ĮS valdomų komunikacijos sistemų. Jūrų pervežimų ir uostų darbas koordinuojamas pasauliniu mastu, nes brangi kiekviena laivo iškrovimo-pakrovimo minutė.

Automobiliuose, elektrinėse ir hibridinėse (kombinuotos) transporto priemonėse vis dažniau naudojamasi ĮS galimybėmis, kad maksimaliai padidėtų efektyvumas ir sumažėtų tarša.

elektromobiliai
Pav. 3. Elektromobilių įkrovimas.
Nuotraukos iš IAEI International ir iš Civic Surrey web puslapių

Kitos pažymėtinos sistemos, kuriose naudojamos ĮS, yra automobilių saugos priemonės, pvz., traukos kontrolės sistema, automatinė keturių ratų pavara, stabdžių antiblokavimo sistema, elektroninė stabilumo kontrolės sistema.

Transporto saugumui užtikrinti, rinkoje plačiai siūlomos nebrangios ĮS valdomos vaizdo fiksavimo priemonės, kurios cikliškai (per tam tikrą laiką) įrašo vaizdą – įvykus eismo įvykiui, užfiksuoti vaizdo duomenys padeda spręsti teisinius ginčus. Atsižvelgiant į kainą sistemos prieinamos ir asmeniniams automobiliams, ne vien tik transporto įmonėms.

Kalbant apie krovininio transporto saugos priemones, reguliavimo ir kontrolės sistemas, reiktų paminėti ĮS, kuriamas Lietuvos įmonėse ir sėkmingai konkuruojančias pasaulio rinkose. Jos pagal GPS signalus kontroliuoja transporto priemonės padėtį, odometro pagalba apskaičiuoja nuvažiuotą kelią. Yra sukurtos ir jau prekyboje sistemos, turinčios galimybę sekti degalų suvartojimą, greitį, akselerometrinius duomenis, kaupia, ir per serverių tinklą perduoda priemonės savininkams arba dispečeriui. Be to, siekiant sumažinti avaringumą, gali fiksuoti atstumą iki priekyje važiuojančios transporto priemonės, sekti vairuotojo būklę (poilsio valandų skaičių, t. y., ar vairuotojas tinkamai laikosi privalomo rėžimo) – nes tai atsiliepia transporto sistemų darbo saugumui. Yra sukurtų sistemų, realiu laiku analizuojančių vaizdą mašinos priekyje ir signalu perspėjančių vairuotoją apie staiga besikeičiančią situaciją, nukrypimą nuo kelio. Sukaupti ir suglaudinti duomenys reguliariai perduodami per artimiausią mobiliojo ryšio GSM stotį į serverius. Serveriuose duomenys specializuotomis programomis statistiškai apdorojami, analizuojama ir įvertinama vairuotojų darbo kokybė, konkretaus vairuotojo vairavimo stilius, kuro sąnaudos – į tai gali būti atsižvelgiama vėliau, pagal krovinio atsakingumą ir trasos sudėtingumą optimaliai paskirstant vairuotojus į skirtingus maršrutus. Kadangi duomenys yra reguliariai persiunčiami, tai palengvina darbą ieškant dingusios transporto priemonės. Tokios sistemos turi komercinę paklausą užsienyje, paklausa didėja ir Lietuvoje.

Tęsinys kitame numeryje.