В подведомственном Минобрнауки России Пензенском государственном университете (ПГУ) разработали инновационное программное обеспечение для микроконтроллерных систем сбора данных. В основе решения — принципы автоматного программирования с использованием модели конечных автоматов. Разработка повысит надежность и быстродействие встраиваемых систем, применяемых в IoT‑устройствах (Интернет вещей), робототехнике, «умном доме» и других сферах. На инновационное решение получено государственное свидетельство.
Современные встраиваемые системы (от «умных» чайников до ЧПУ‑станков и БПЛА) требуют высокой точности, быстродействия и эффективности.
Их «мозг» заключен в небольшие микроконтроллеры. Поясним. Микроконтроллеры представляют собой миниатюрную вычислительную систему, реализованную в виде чипа (микросхемы). Он объединяет на небольшой подложке процессорное ядро, память и управление конкретными электронными объектами или процессами.
Проблема таких умных систем заключается в том, что при выходе из строя одного элемента, начинается неправильная работа этого «мозга». Она сопровождается повышенной нагрузкой, сбоями и поломками.
Один из разработчиков — студент Политехнического института ПГУ Илья Алексеев рассказал, что при выходе из строя одного датчика, как правило, продолжается программный опрос неисправного элемента.
Тратятся ресурсы всех электронных компонентов. Может произойти поломка, а для продолжения работы устройства приходится останавливать работу целиком, — добавил он.
Цена за поломку велика: увеличивается число сбоев, снижается быстродействие, прерывается выполнение задач.
Приведу самый простой пример. Робот‑исследователь покидает зону мониторинга из‑за поломки датчика для устранения неисправности, — поделился Илья Алексеев.
Группа ученых кафедры «Вычислительная техника» Пензенского государственного университета под руководством д-ра техн. наук профессора Сергея Зинкина предлагает новый подход к сборке и программированию микроконтроллеров. Исследователи разработали программное обеспечение для микроконтроллерной системы сбора данных, реализованного на принципах автоматного программирования.
Так, удалось разделить логику управления для каждого датчика на три независимых параллельных процесса.
Программа реализует три конечных автомата. Каждый из них управляет опросом одного датчика, обрабатывает ошибки инициализации и работы, последовательно выполняет шаги.
Наше предложение позволяет четко задавать состояния: ожидание, чтение данных, обработку ошибки. Переходы между состояниями осуществляются по определенным правилам, — рассказал Илья Алексеев.
В ПГУ создали прототип программного обеспечения для микроконтроллера STM32F103C6. Он был встроен в устройство с тремя датчиками (фоторезистор, ультразвуковой дальномер и датчик для измерения температуры и влажности).
На самом устройстве встроен дисплей, куда выводятся показания. О разных состояниях сигнализирует RGB‑светодиод, обеспечивая быструю визуальную обратную связь.
Компьютерная программа работает по следующему принципу.
Она выполняет циклический опрос этих трех датчиков: DHT11 (температура и влажность), HC-SR04 (расстояние), фоторезистор (освещенность). В ее функционал также входит реализация трех независимых конечных автомата. Каждый из них отвечает за свой датчик. На OLED-дисплей выводятся текущие показания и словесное описание состояния. Например, COLD/HOT, DRY/WET, DANGER/SAFE).
Изменяется цвет RGB-светодиода в зависимости от расстояния. Красный показывает, что к устройству приблизился некий объект ближе чем на 10 см, зеленый — 10–30 см, синий — дальше 30 см, — поясняет разработчик.
В ПГУ проверили работоспособность подхода. При приближении объекта на разное расстояние к устройству менялся цвет RGB-светодиода. А при изменении температуры и влажности данные корректно отображались на дисплее. Система продолжала работу при имитации отказа одного из датчиков.
Мы предлагаем прошивать существующие микроконтроллеры нашим программным обеспечением. Если „отваливается” (ломается) один из датчиков, инициализация не происходит, и автомат уходит в состояние ошибки. Затрачивается меньше ресурсов, — делится преимуществами исследователь.
Обратим внимание, в существующих предложениях один автомат отвечает за все датчики, встроенные в устройство. Так, при поломке одного датчика автомат выключается из общей цепочки.
Разработка пензенских ученых превосходит аналоги. Поломка одного датчика не останавливает всю систему. Четкая логика состояний предотвращает сбои. Кроме того, неисправный датчик исключается из опроса, экономя ресурсы.
Разработка может найти свое применение в наземных робототехнических комплексах, БПЛА, системах «умного дома», ОПК, в производстве промышленного оборудования.
Илья Алексеев обращает внимание, что ноу-хау хорошее подспорье для систем мониторинга окружающей среды, телекоммуникационных сетей.
Предложенный подход создает основу для масштабируемых и легко модифицируемых решений в области «умных» зданий, промышленного мониторинга и других сфер, где требуется моментальная реакция на события.
Источник: Минобрнауки России
