LaRIS - Tehniloški projekt - Ugradbeni mrežni poslužitelji

UGRADBENI MREŽNI POSLUŽITELJI

Uvod

Skoro svi uređaji sa ugradbenim računalom mogu imati koristi od umrežavanja kroz veću uporabljivost kao i s obzirom na početnu i cijenu korištenja. Posljednjih godina razvojem Interneta i World Wide Weba kao javnog dobra, ljudi su prepoznali koristi priključivanja raznih uređaja na mrežu. Uređajima se tako može pristupiti sa bilo kojeg mjesta za podešavanje, prikaz podataka, upravljanja iz daljine, testiranje... Upotreba mrežnog pretraživača nam omogućuje korištenje velikog ekrana, preglednih izbornika i uputa za nadzor i upravljanje umjesto često složenih i nepreglednih prikaza na samom uređaju. Uređaji i mreža su do danas ostali jako razdvojene cjeline. Ugradbeni procesori su komunicirali unutar uskih okvira u kojima su upravljali svjetlom, grijanjem ... Ovakvi uređaji su se mogli spojiti na Internet pomoću složenih uređaja (gatewaya), slika 1.

Slika 1. Struktura umrežavanja uređaja

Uloga ugradbenih mrežnih servera je da premosti jaz između senzora i Interneta i time omogući uređajima komunikaciju s korisnikovom radnom stanicom koristeći standardne mrežne protokole kao TCP/IP i HTTP uz manje dimenzije i cijenu uređaja, slika 2.

Slika 2. Povezivanje uređaja s ugradbenim mrežnim poslužiteljem

Projektiranje sustava

Mrežni server za ugradbene sisteme treba biti takav da poboljšava rad postojećeg sistema bez prevelikog opterećivanja i bez skupog razvoja softvera i hardvera. Spajanje na mrežu se može omogućiti na dva načina:

- dodavanjem programa mrežnog servera postojećem sistemu

- spajanjem drugog, specijaliziranog uređaja za tu namjenu

Dodavanjem programa mrežnog servera postojećem sistemu je neprikladno jer su ugradbeni sistemi u pravilu ograničeni cijenom, pa nemaju previše slobodne memorije i računalne snage. Stoga, programi koji se dodaju moraju biti sažeto napisani, te nikako ne smiju ometati rad izvornog programa.

Spajanje specijaliziranog uređaja donosi sistemu mnogo prednosti i novih mogućnosti. Ovi uređaji imaju svoje vlastite procesore i memoriju i nisu podložni ograničenjima “starog” sistema. Spajanje specijaliziranih mrežnih servera na postojeći sistem je jednostavno preko serijskog porta koji se nalazi u svim sistemima.

- Zahtjevi za ugradbene mrežne servere

Za nesmetani rad sistema ugradbeni mrežni serveri trebaju ispunjavati sljedeće zahtjeve:

Mali memorijski otisak: server mora koristiti vrlo malo memorije i ne smije je fragmentirati. Mnogi ugradbeni uređaji koriste jednostavne dodjeljivače memorije koji ne mogu efikasno upravljati memorijom. Ovaj problem se najčešće rješava statičkom podjelom memorije ili unaprijed dodijeljenim dijelovima memorije.

Dinamičko generiranje stranica: obzirom na to da sadržaj stranica čine uglavnom statusne informacije i očitanja senzora, stranice se moraju stvarati za vrijeme rada.

Stranice smještene u ROM-u: budući da ugradbeni sistemi nemaju diskove ni bilo koju drugu jedinicu za pohranu podataka, stranice i ostali sadržaji moraju biti spremljeni u ROM-u.

Smanjivanjem sposobnosti ugradbenog mrežnog servera na najmanji skup neophodnih funkcija postignuti su vrlo mali hardverski zahtjevi i potrošnja energije. Dobiven je uređaj male cijene i dimenzija u odnosu na standardno računalo koji u potpunosti obavlja zadane zadatke.

- Protokoli

Iako je TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) glavni mrežni protokol koji omogućuje spajanje različitih uređaja u mrežu, u ugradbenim mrežnim serverima on nije primijenjen u cijelosti. Upotrijebljeni su samo neophodni dijelovi, a nepotrebni su isključeni. Osim toga, TCP/IP je osnova za više mrežne protokole koji će se koristiti u ugradbenim mrežnim serverima. Ako sistem koristi RS-232C ili modemsku vezu, tada se koristi PPP (Point to Point Protocol) ili SLIP (Serial-Line Internet Protocol). FTP (File Transfer Protocol) se koristi za učitavanje novih programa i podataka u sistem. Osim na zahtjev korisnika, preko mrežnog pretraživača tok informacija može biti pokretan i na zahtjev uređaja. Tada pomoću SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) protokola uređaj periodički šalje informacije u obliku elektroničke pošte.

Za sada postoje barem tri viša protokola, ali iako se značajno preklapaju još uvijek ne mogu međusobno komunicirati:

Jini je razvijen u Sun Microsystems, zasnovan na Java programskom jeziku. Jini osigurava prostor u kojem se uređaji međusobno podržavaju, uredno organizirane procedure omogućavaju uređajima da nude svoje i koriste usluge drugih uređaja u mreži. Zasniva se na centralizaciji znanja o mreži. Za tu svrhu se koristi računalo u lokalnoj mreži. Svaki novi uređaj u mreži se prijavljuje na to računalo koje zatim redovno provjerava prisutnost svih prijavljenih uređaja na mreži. Također, na tom računalu su smješteni pogonski programi (driver) za pojedinačne uređaje a budući se koristi Java programski jezik ti pogonski programi rade jednako neovisno o tome na kakvoj se platformi pokreću.

HAVi je skup protokola i procedura koji je definirao udruženje proizvođača potrošačke elektronike da bi omogućili komunikaciju među uređajima različitih proizvođača. To uključuje prijenos podataka i upravljačkih signala između uređaja. Zasniva se na pretpostavljenom znanju, tj. svaki uređaj mora poznavati osobine svih vrsta uređaja s kojima može doći u kontakt i posjedovati informaciju o tome koji su uređaji prisutni u mreži. Obzirom na to da je jedino potrebno dinamičko znanje o tome da li je uređaj neke vrste prisutan ili nije, spajanje preko ovog protokola je vrlo jednostavno.

Universal Plug-and-Play je skup protokola koji je definirao Microsoft. Ovi protokoli sadrže osnovna pravila komunikacije i uporabu XML-a kao formata za razmjenu podataka. Točan format podataka za svaku poruku definira skup proizvođača i korisnika koji imaju poseban interes za takvu vrstu uređaja. Svaki uređaj na mreži periodički oglašava svoju “ponudu”, a bilo koji uređaj koji treba takvu uslugu koristi informacije iz “ponude” da bi se spojio s “ponuđačem”.

Ovo je polje u kojem se ugradbeni sistemi mogu najviše razvijati. Definiranje novog jedinstvenog protokola koji će omogućiti potpunu komunikaciju između svih vrsta uređaja, neovisno o proizvođaču, je sljedeći korak koji će značiti napredak ove tehnologije.

- Softver

Najmanji skup programa za ugradbeni Internet sistem uključuje operativni sistem, radni program (aplikaciju), http server, TCP/IP i pogonske programe za komunikacijski hardver. Upotrebom Interneta ugradbeni sistem može ponuditi velike mogućnosti bez korištenja sistemskih resursa. Pomoću HTML stranica koje upućuju na druga mjesta u mreži sistem može ponuditi više on-line dokumentacije i bogatiju grafiku nego što bi sam ugradbeni sistem inače mogao ponuditi. Osim toga, davanje podataka moćnijem “partneru” na mreži i prikaz rezultata “partnerovih” proračuna može prividno još više uvećati računalnu snagu ugradbenog sistema. Kao što vidimo pametnim programiranjem i upotrebom Interneta mogućnosti sistema praktično se mogu podići na viši nivo. Pri programiranju treba voditi računa o tome da prisustvo ugradbenog mrežnog servera ne smije ometati primaran rad uređaja u realnom vremenu i stoga se vrijeme odgovora sistema na zahtjeve preko mreže mora žrtvovati zbog glavne funkcije.

Programi za rad s Internetom ne smiju biti ograničavajući faktor za brzinu prijenosa podataka između poslužitelja i pretraživača. Grafički elementi zauzimaju mnogo više memorije nego tekst i stoga njihovo učitavanje u pretraživač traje znatno duže. Stoga se HTML stranice ne smiju opterećivati pretjeranom grafikom. Trajanje učitavanja stranica mora biti prihvatljivo korisniku i nikako duže od par sekundi.

- Hardver

Hardverski zahtjevi za ugradbene mrežne servere proizlaze iz zahtjeva koji se pred njih stavljaju i programa namijenjenih rješavanju danih zadataka. Najmanja postava za omogućavanje pristupa mreži uključuje 8-bitni mikroprocesor, Ethernet ili serijski međusklop i dovoljno memorije za spremanje i rad programa. Postoji velik broj mikrokontrolera izvedenih iz osnovnog modela mikroprocesora koji na sebi imaju integrirane sklopove poput A/D i D/A pretvarača koji omogućuju zamjenu analognih komponenti mikrokontrolerima. 8-bitni procesori koji se koriste za ugradbene mrežne servere mogu adresirati do 16 Mb memorije, što je u većini slučajeva više nego dovoljno i omogućuje smještanje programa i njihovo pokretanje iz ROM-a, što na koncu dovodi do znatno bržeg pokretanja sistema u odnosu na Windows računala. Očito je da uporaba jedinica za masovnu pohranu podataka nije neophodna i postaje stvar izbora u aplikacijama koje koriste velike količine podataka. Klasične ulazno-izlazne jedinice nisu potrebne jer se sve U/I radnje obavljaju preko Interneta.

- Objedinjavanje sustava

Prilikom razvoja novog sistema hardver se odabire prema ukupnim zahtjevima sistema i programa napisanih da bi se postigla funkcionalnost sistema. Projektant sistema mora naći pravu mjeru između hardverskih i softverskih rješenja za svaki pojedini problem. Hardverska rješenja se lakše razvijaju, brža su i preciznija u radu. Softverska rješenja rezultiraju manjim proizvodnim troškovima, a sve prilagodbe ili promjene sistema su jednostavnije. Posebno se mora razmotriti veza s Internetom. Kad je ugradbeni sistem u blizini lokalne mreže koristi se Ethernet međusklop, a inače se koristi serijsko sučelje za prijenos podataka preko telefonskog ili radio kanala.

Za pisanje softvera može se koristiti bilo koji razvojni paket uz upotrebu dodatnih biblioteka koje daje proizvođač hardvera. S obzirom na to da se softver razvija na različitoj platformi od ciljane, prenosivost programa je vrlo važna za ugradbene sisteme. Java kao objektno orijentirani programski jezik, neovisan o platformi, se nameće kao logičan izbor jer nije potrebno nanovo kompilirati programe prilikom prijelaza na drugi procesor. Postojeći skup standardnih biblioteka klasa ostavlja programeru manje koda za pisanje i održavanje. HTTP i FTP klijenti su već ugrađeni kao i podrška za rad sa URL-ovima, IP adresama i rad s imenima.

Mrežni server koji stavljamo na uređaj mora biti sposoban stvarati dinamičke mrežne stranice na osnovu podataka sa samog uređaja. Iako nije neophodno davati podršku za velik broj korisnika, mrežni server mora biti sposoban višestruke istovremene zahtjeve pretraživača.