SISTEMI DI INTEGRAZIONE ELETTRONICA I sistemi di misura distribuiti

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1 Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale SISTEMI DI INTEGRAZIONE ELETTRONICA I sistemi di misura distribuiti Docente: Luigi Ferrigno

2 MiniDAT MiniDAT MiniDAT I sistemi di misura distribuiti Insieme di dispositivi di misura e/o controllo in grado di svolgere una procedura complessa di misura e posizionati in punti geografici differenti, tra loro connessi attraverso un opportuna tecnologia software/hardware di comunicazione Utente 1 RETE INTERNET/LAN N N RETE WIRELESS Access point Ethernet Utente n

3 I sistemi di misura distribuiti Le possibilità offerte dai sistemi di misura distribuiti: 1) Posizionamento dei dispositivi di misura e/o attuazione praticamente ovunque: I dispositivi di misura e/o attuazione possono essere posizionati nel processo senza richiedere che altre apparecchiature delicate e suscettibili a disturbi elettromagnetici o a particolari condizioni climatiche siano posizionate in prossimità del processo (ad esempio Computer Server, Dispositivi di memorizzazione, ecc.) Ciò è possibile se si ha a disposizione tecnologie di comunicazione come ad esempio ethernet, bus di campo, o anche sistemi wireless con aree di copertura sufficienti I dati possono essere caricati in un database per aver traccia delle condizioni verificatesi durante il processo, oppure i dati possono essere visualizzati ed interpretarli in tempo reale per prendere decisioni più efficaci e se si integra il tutto con INTERNET: 2) Misura e controllo da remoto e da lontano : Uno o più utenti può accedere ai dispositivi di misura e/o controllo anche da postazioni geografiche lontane e differenti ad esempio accedendo ad una pagina web mediante una semplice connessione a Internet I risultati di misura, ad esempio, possono essere pubblicati su internet e quindi visti da utenti autorizzati

4 I sistemi di misura distribuiti Le possibilità offerte dai sistemi di misura distribuiti: Monitorare/controllare un processo da vicino stando a distanza Accesso a strumentazione costosa senza che l utente ne venga a contatto Il processo viene monitorato in maniera rigorosa anche se non si è direttamente sul posto Ad esempio per la verifica di uno strumento di misura o di un sensore (ad esempio la taratura), oppure per l esecuzione di misure su un dato provino con strumentazione delicata, l utente può fornirsi di un opportuno SW rilasciato dall ente verificatore ed effettuare la taratura del sensore o dello strumento, oppure, nel caso del provino, inviarlo all ente, il quale consentirà all utente di effettuare la misura sul provino da remoto senza essere vicino alla strumentazione

5 I sistemi di misura distribuiti Alcune applicazioni monitoraggio grandezze ambientali (rete fissa o mobile): una stazione di rilevamento può essere in grado di eseguire un grande numero di misurazioni differenti relative alla concentrazione nell'aria di inquinanti specifici, temperatura, velocità del vento, pressione, umidità, ecc.) monitoraggio inquinamento elettromagnetico (rete fissa o mobile): uno o più nodi di misura costituiscono una rete per il rilievo di campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici monitoraggio e controllo di una centrale di distribuzione dell energia elettrica: una stazione di rilevamento e controllo consente di monitorare il funzionamento di tutte le apparecchiature coinvolte (potenza erogata, qualità energia fornita, funzionamento corretto di tutte le apparecchiature, diagnosi); monitoraggio e controllo di una linea di produzione: dispositivi di misura e/o attuazione situati in vari punti della linea possono consentire la gestione dell intero processo da remoto (eventualmente anche da casa).

6 I sistemi di misura distribuiti Il concetto di nodo di misura NODO DI MISURA 1 Grandezza da misurare 1 NODO DI MISURA N Grandezza da misurare N

7 I sistemi di misura distribuiti Il concetto di nodo di misura Trasduttore Strumento di misura stand alone Sistema di interfaccia NODO DI MISURA Smart sensor Sistema di interfaccia Elemento sensibile Condizionamento A/D µp BUS Display RAM Interfaccia di comunicazione

8 MiniDAT MiniDAT MiniDAT I sistemi di misura distribuiti La tecnologia hardware di comunicazione può essere di tipo tradizionale (wired), wireless o anche adottare soluzioni ibride ETHERNET CAN POE PLC FIELDBUS RS-485 USB IEEE-488 N N RF GSM UMTS GPRS BT ZIGBEE WIFI UWB WIMAX Determinano l estensione geografica della rete dei dispositivi di misura, la topologia di rete, il numero di dispositivi della rete e le performance raggiungibili in termini di data rate Acce ss point Ethern et

9 I sistemi di misura distribuiti l estensione geografica Può andare da qualche metro a migliaia di km Dipende dalla tecnologia di modulazione, dai livelli di potenza irradiati consentiti dalle norme (nel caso del wireless) e anche dalla possibilità di sfruttare delle infrastrutture già presenti la topologia di rete Nell ambito delle misure, solitamente si fa riferimento a reti di tipo star e peer-to-peer La rete può prevedere un collegamento di uno a molti in cui il coordinatore gestisce la rete e quindi è il collettore delle informazioni, oppure si può pensare ad un collegamento di tutti a tutti o quasi in modo da non avere un unico elemento concentratore delle informazioni e gestore delle operazioni della rete

10 I sistemi di misura distribuiti numero di dispositivi (nodi di misura) della rete Può andare da una decina a infiniti dispositivi Qualche unità quando si ha a che fare con sistemi basati su IEEE-488, mentre infiniti quando si ha a che fare con Ethernet il data rate E un indice del numero di informazioni (dati di misura) che possono essere trasmesse in un secondo I kbps si hanno con IEEE-488, forse RS-485, BT qualche Mbps, UWB qualche 10Mbps, ETHernet anche 100Mbps Può andare da poche centinaia di kbps a qualche centinaio di Mbps ma tener presente il payload effettivo!

11 I sistemi di misura distribuiti Peculiarità delle tecnologie wired Necessità di cablaggi per l interconnessione dei dispositivi Estensione geografica in generale elevata della rete di dispositivi di misura Standard consolidati e quindi interfacce per strumenti già diffuse Data rate in generale elevati In alcuni casi si sfruttano infrastrutture di comunicazione già esistenti (LAN, Internet) Dispositivi di misura staticamente posizionati

12 I sistemi di misura distribuiti Peculiarità delle tecnologie wireless Assenza di cablaggi per l interconnessione dei dispositivi Estensione geografica in generale bassa della rete di dispositivi di misura Data rate in generale bassi Consentono anche misure in movimento Necessità di alimentare i dispositivi di misura con batterie

13 I sistemi di misura distribuiti Ethernet Estensione geografica: praticamente illimitata (grazie ad hub e switch e alla rete Internet) Numero di dispositivi: praticamente illimitati Data rate: fino a 100 Mbps (Fast Ethernet) Applicazioni: Networking, LAN, reti industriali

14 I sistemi di misura distribuiti Power Line Communication (PLC) Estensione geografica: praticamente illimitata (combinandola con altre tecnologie) Numero di dispositivi: praticamente illimitati Data rate: fino a 14 Mbps Applicazioni: ultimo miglio, telelettura

15 I sistemi di misura distribuiti RS-485 Estensione geografica: fino a 1200m Numero di dispositivi: fino a 256 Data rate: fino a 10 Mbps Applicazioni: Videosorveglianza, domotica, controllo industriale

16 I sistemi di misura distribuiti Universal Serial Bus (USB) Estensione geografica: pochi metri Numero di dispositivi: fino a 127 Data rate: fino a 480 Mbps (USB 2.0) Applicazioni: sistemi automatici di misura, hot plug & play

17 I sistemi di misura distribuiti IEEE-488 Estensione geografica: 20 m Numero di dispositivi: fino a 15 Data rate: fino a 1 Mbps Applicazioni: sistemi automatici di misura per monitoraggio e controllo

18 I sistemi di misura distribuiti Global System for Mobile Communications (GSM) Estensione geografica: praticamente illimitata Numero di dispositivi: praticamente illimitati Data rate: fino a 9,6 kbps Applicazioni: telefonia e trasmissione piccola mole di dati Tecnologia 2G banda MHz per la comunicazione tra MS e BTS (Uplink) banda MHz per la comunicazione tra BTS e MS (Downlink)

19 I sistemi di misura distribuiti General Radio Packet System (GPRS) Estensione geografica: praticamente illimitata Numero di dispositivi: praticamente illimitati Data rate: fino a 171,2 kbps Applicazioni: Trasferimento di files, immagini, foto Tecnologia 2.5G Il sistema GPRS lavora sulla già esistente struttura GSM Connettività always on Il GPRS facilita le connessioni istantanee perchè l'informazione può essere mandata o ricevuta immediatamente appena se ne ha bisogno, i terminali GPRS vengono identificati come sempre on line

20 I sistemi di misura distribuiti Universal Mobile Telecomunications System (UMTS) Estensione geografica: praticamente illimitata Numero di dispositivi: praticamente illimitati Data rate: da 384 kbps fino a 2 Mbps Applicazioni: telefonia, filmati, trasmissione televisive, video telefonate, video conferenze Tecnologia 3G 1,9 2,2 GHz

21 I sistemi di misura distribuiti Bluetooth (IEEE ) Estensione geografica: fino 100 m Numero di dispositivi: fino a 64 Data rate: fino a 1 Mbps 2,4 GHz Applicazioni: audio e dati e da qualche anno anche bus per strumentazione wireless!

22 I sistemi di misura distribuiti Estensione geografica: 100 m Numero di dispositivi: fino a 32 Data rate: fino a 54 Mbps WiFI (IEEE b/x) Applicazioni: Video, Networking, reti di sensori 2,4 GHz

23 I sistemi di misura distribuiti ZigBee (IEEE ) Estensione geografica: fino a 100 m Numero di dispositivi: fino a Data rate: fino a 250 kbps Applicazioni: monitoraggio, sensori, basso consumo

24 I sistemi di misura distribuiti WiMAX Consumi e area di copertura sono in contrapposizione

25 I sistemi di misura distribuiti Integrazione di più tecnologie di comunicazione Si possono avere delle soluzioni ibride che combinano più tecnologie di comunicazione sia wired che wireless Inoltre la strumentazione in generale nasce con alcune interfacce standard (RS-232, IEEE-488, USB, Ethernet) che adottano i rispettivi protocolli e molte applicazioni sono già state sviluppate facendo riferimento a tali interfacce Sono utili i cosiddetti bridge di protocollo (convertitori di protocollo) che consentono di mantenere tutto inalterato a livello di applicazione

26 I sistemi di misura distribuiti Soluzioni software per le comunicazioni La tecnologia software di comunicazione è spesso legata all hardware utilizzato e ai costi e tempi di sviluppo nonché alle performance che si vogliono raggiungere Ci si può basare su: 1) software proprietario dedicato; 2) software proprietario multipurpose (LabView, ecc.); 3) software free a basso livello (Java).

27 I sistemi di misura distribuiti Soluzioni software per le comunicazioni La soluzione 1) non da molta libertà perché l utente non ha molta possibilità di agire nel momento in cui cambi la configurazione della rete ed inoltre è richiesta una licenza d uso. Tuttavia dovrebbe garantire un certo determinismo La soluzione 2) è più flessibile rispetto alla precedente perché in generale consente di riadattare il software alle eventuali nuove esigenze della rete; anche in questo caso sono necessarie licenze d uso per gli applicativi utilizzati La soluzione 3) richiede una conoscenza approfondita dell ambiente di programmazione ma, in generale, consente di ottenere performance migliori perché il codice è sviluppato ad hoc e quindi è ottimizzato per l applicazione. In generale, in tali casi non è richiesta licenze d uso per il software

28 I sistemi di misura distribuiti Soluzioni web-based Un applicazione si dice web-based se è accessibile utilizzando solo le funzionalità di un browser web standard Internet explorer, Netscape, ecc. Internet

29 I sistemi di misura distribuiti Soluzioni web-based I principali vantaggi di un applicazione web-based: 1) Basta un semplice browser web per accedere alla strumentazione 2) Si può accedere alla strumentazione da qualunque parte del mondo purché si abbia a disposizione un collegamento a Internet 3) In generale non richiede l installazione di software aggiuntivo sul PC dell utente

30 Le reti informatiche Cosa è una rete informatica? Una rete informatica è un insieme di PC e di altri dispositivi che sono collegati tra loro tramite una serie di componenti hardware (cablaggi, ripetitori, ecc.) e componenti software che forniscono gli strumenti per la gestione della rete Il sistema consente a questi dispositivi di comunicare tra loro e di condividere informazioni e risorse Le reti possono avere dimensioni differenti ed è possibile ospitarle in una sede singola oppure dislocarle in tutto il mondo

31 Le reti informatiche Reti LAN e WAN Una rete che è collegata su un'area limitata si chiama "Rete Locale" oppure LAN (Local Area Network) Spesso la LAN è localizzata in una sola sede Per WAN (Wide Area Network) si intende un gruppo di dispositivi o di LAN collegate nell'ambito di una vasta area geografica, spesso mediante linea telefonica o altro tipo di cablaggio (ad es. linea dedicata, fibre ottiche, collegamento satellitare, ecc..) Uno dei più grandi esempi di WAN è l'internet stessa

32 Le reti informatiche Cosa è una rete informatica? WLAN (Wireless Local Area Network): WiFI WPAN (Wireless Personal Area Network): BT, ZigBee, UWB

33 Le reti informatiche Cosa è una rete informatica? Esistono diverse tecnologie LAN; le più comuni sono: Ethernet e Fast Ethernet, una rete può essere formata da una o più di queste tecnologie Le reti Ethernet e Fast Ethernet funzionano in modo simile e la differenza principale è data dalla velocità alla quale trasferiscono le informazioni Ethernet funziona a 10 Megabit per secondo (o Mbps) e Fast Ethernet funziona a 100Mbps I dispositivi di una rete comunicano trasmettendosi reciprocamente informazioni; le informazioni trasmesse sono gruppi di piccoli impulsi elettrici, detti pacchetti

34 Le reti informatiche Cosa è una rete informatica? Ogni pacchetto contiene l'indirizzo del dispositivo che esegue la trasmissione (l'indirizzo di sorgente) e l'indirizzo del dispositivo che riceve i dati (l'indirizzo di destinazione) Queste informazioni vengono utilizzate dai PC e da altri dispositivi presenti nella rete per aiutare il pacchetto a raggiungere la propria destinazione Le reti Ethernet e Fast Ethernet impiegano un protocollo chiamato CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection). In tal modo può comunicare solo un dispositivo per volta Quando due dispositivi cercano di comunicare simultaneamente, tra i pacchetti trasmessi si verifica una collisione che viene rilevata dai dispositivi trasmittenti. I dispositivi cessano quindi di trasmettere e attendono prima di inviare nuovamente i loro pacchetti

35 Le reti informatiche I vantaggi di una rete In una rete LAN (Local Area Network), le informazioni e le risorse possono essere condivise Questa possibilità offre diversi vantaggi: E' possibile condividere periferiche e strumenti costosi E' possibile inoltrare dati tra utenti senza l'uso di floppy disk. Inoltre vi sono meno limitazioni sulle dimensioni del file che può essere trasferito attraverso una rete. E' possibile centralizzare i programmi informatici principali

36 Le reti informatiche I vantaggi di una rete In una rete WAN (Wide Area Network), le informazioni e le risorse sono condivise in un'area geografica più ampia. Questa possibilità offre diversi vantaggi: E' possibile inviare e ricevere messaggi in tutto il mondo, comunicare messaggi e avviso a molte persone, in molti luoghi diversi, in modo più rapido ed economico E' possibile scambiare i file con i colleghi situati in altri luoghi o accedere da casa alla rete aziendale E' possibile accedere alla vaste risorse dell'internet e di World Wide Web

37 Le reti informatiche I vantaggi di una rete In una rete WLAN, le informazioni e le risorse sono condivise in un'area geografica più ristretta ad una WAN ma simile ad una LAN. Ai vantaggi di una rete LAN si aggiungono: assenza di cablaggi fisici mobilità In una rete WPAN, le informazioni e le risorse sono condivise in un'area geografica molto ristretta rispetto ad una WLAN (al massimo una decina di metri) e con un numero di dispositivi in generale minore

38 Le reti informatiche Tipi di rete: Reti centralizzate Le reti centralizzate sono costituite da una o più unità centrali chiamate mainframe o da una serie di terminali collegati direttamente al computer principale L elaborazione dei dati avviene totalmente (o quasi) all interno dell unità centrale Le reti centralizzate utilizzano tipicamente hardware dedicato e piuttosto costoso e non sono molto flessibili e scalabili

39 Le reti informatiche Tipi di rete: Reti peer-to-peer Le reti peer-to-peer sono costituite da un gruppo ridotto di calcolatori generalmente non molto potenti che devono condividere dati e periferiche In una rete di questo tipo non c è un elaboratore centrale che funge da riferimento ma tutti i calcolatori sono sullo stesso piano Tipicamente sono più economiche da realizzare perché non necessitano di particolari strumenti di amministrazione

40 Le reti informatiche Topologie di rete: topologia a bus La topologia a bus è costituita da un singolo cavo cui sono collegati tutti i dispositivi che costituiscono i nodi della rete Le informazioni viaggiano sul supporto fisico fino a raggiungere tutti i computer della rete ma solo il destinatario o i destinatari dei messaggi processano e leggono i messaggi inviati In una rete di questo tipo i dati viaggiano sul supporto fisico in entrambe le direzioni fino a raggiungere l estremità del cavo dove vengono posizionati i terminatori

41 Le reti informatiche Topologie di rete: topologia a bus Poiché un solo computer alla volta può inviare dati, maggiore è il numero di computer connessi alla rete, più saranno i computer in attesa di trasmettere dati, rallentando le prestazioni dell intera rete I terminatori assorbono il segnale in arrivo e ne impediscono la riflessione che impedirebbe l utilizzo del supporto da parte degli altri calcolatori in quanto il cavo risulterebbe impegnato proprio dal segnale riflesso Lo svantaggio principale di questa struttura deriva dal fatto che se il cavo viene danneggiato o interrotto in un punto qualsiasi, nel punto di interruzione viene generata una riflessione che spesso impedisce l uso del mezzo e mette fuori uso la rete

42 Le reti informatiche Topologie di rete: topologia a stella I dispositivi sono tutti collegati ad un componente centrale chiamato HUB Quando un dispositivo deve inviare un messaggio sulla rete, il messaggio giunge all HUB centrale e quindi a tutti gli altri dispositivi direttamente collegati Questa tipologia richiede un elevata quantità di cavi in una rete di grandi dimensioni Il principale vantaggio di tale topologia consiste nel fatto che quando si interrompe il collegamento tra l HUB e uno dei dispositivi, solo quest ultimo non può più inviare e ricevere dati

43 Le reti informatiche Topologie di rete: topologia ad anello I computer sono connessi tramite un unico cavo circolare privo di terminatori. I segnali sono inviati in senso orario lungo il circuito chiuso passando attraverso ciascun computer che funge da ripetitore e ritrasmette il segnale potenziato al computer successivo Uno dei metodi usati per la trasmissione dei dati lungo l anello è detto Token Passing, e si parla infatti di reti Token Ring. Il token (gettone) viene trasferito da un computer al successivo finché non raggiunge quello su cui sono disponibili dati da trasmettere. Il token viene modificato dal computer trasmittente che aggiunge al dato l indirizzo del destinatario e quello del mittente e lo rinvia lungo l anello

44 Le reti informatiche Topologie di rete: topologia ad anello Nelle reti Token Ring, a differenza di altre, un computer malfunzionante viene automaticamente escluso dall anello consentendo agli altri di continuare a funzionare regolarmente in rete In altri tipi di reti ad anello, un computer che non funziona può provocare la caduta di tutta la rete

45 Le reti informatiche Topologie di rete: topologia ibrida stella-bus Due o più reti utilizzanti la topologia a stella vengono collegate attraverso un bus

46 Le reti informatiche Dispositivi per la realizzazione di reti Schede di rete Hub Repeaters (ripetitori) Bridge e Switch Modem e Routers (dispositivi di instradamento) Gateway (porte)

47 Schede di rete Le reti informatiche Dispositivi per la realizzazione di reti Tutti i dispositivi (computer e strumenti di misura), per poterli utilizzare in rete Ethernet, devono essere dotati di opportune schede di rete

48 Le reti informatiche Dispositivi per la realizzazione di reti HUB Duplicatore di porta, passivo Non consente di estendere la rete in dimensioni geometriche

49 Le reti informatiche Dispositivi per la realizzazione di reti Il ripetitore è un dispositivo che collega due segmenti fisici di LAN estendendo così la lunghezza totale della LAN. Esso preleva i segnali provenienti da un cavo di LAN, li rigenera e li trasmette sull altro cavo(i) di LAN Lasciano passare le tempeste di broadcast Non possono connettere diverse topologie o metodi di accesso Dato che i ripetitori si limitano a rigenerare i segnali e non eseguono altre elaborazioni sugli stessi, essi risultano essere tra i dispositivi meno costosi (insieme agli HUB) usati per collegare le LAN. Peraltro possono essere utilizzati solo per connettere LAN con le stesse caratteristiche fisiche

50 Le reti informatiche Dispositivi per la realizzazione di reti Bridge e Switch oltre a trasferire i segnali da una LAN all altra sono anche in grado di svolgere alcune elaborazioni addizionali Un bridge controlla tutto il traffico su entrambe le LAN che esso connette. Usa le informazioni di indirizzo presenti in ogni trama per determinare se quella trama deve essere trasferita sull altra LAN oppure se è destinata ad un utente situato sulla stessa LAN che ha originato la trama

51 Le reti informatiche Dispositivi per la realizzazione di reti I routers superano alcune limitazioni dei bridges. Un router è un dispositivo capace di interconnettere più LAN (ed anche reti ad estensione geografica WAN) I router possono ricevere informazioni da un collegamento e, in base all indirizzo di rete contenuto nelle stesse, scegliere fra più collegamenti dove inviarle

52 Le reti informatiche Dispositivi per la realizzazione di reti GATEWAY Può essere un dispositivo Hardware o Software Usato per le comunicazioni tra differenti NOS (Network Operating System)