Оперативная публикация данных наклономеров серии НШ на основе протокола SeedLink

Внедрение: 2017 г.

Ученые из Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН в одноимённой статье [1] описали применение модуля E14‑440 в задаче сбора данных штольневых наклономеров серии НШ.

Основная цель работы состояла в организации доступа к данным штольневых наклономеров НШ по сети Интернет в режиме реального времени. Было разработано ПО, которое, помимо решения поставленной задачи, позволяет организовать оперативную визуализацию и архивирование данных. Решение основано на использовании специализированного протокола реального времени SeedLink. Для доступа к устройству был использован интернет-протокол IPv4, а для защиты данных от несанкционированного доступа был организован защищенный канал с использованием технологии VPN. Разработка тестировалась на двух наклономерах, установленных в здании ИФЗ РАН. Разработанные программы были адаптированы для установки на энергоэффективные ARM-компьютеры.

В данной работе приведено описание оперативной публикации данных двух наклономеров серии НШ (наклономер штольневый), установленных на заглубленных постаментах в специально оборудованном подвальном помещении Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. Наклономеры этой серии разработаны в Особом конструкторском бюро ИФЗ АН СССР и к моменту их создания (середина 1990‑х годов) обладали уникальными характеристиками. Прибор неоднократно модернизировался, в частности, была реализована оцифровка измеряемого сигнала на основе АЦП E14-440. 

Поставляемое с АЦП ПО LGraph2 выполняло визуализацию получаемых данных и сохраняло регистрируемые данные в файлах собственного бинарного формата.

Наклономер штольневый НШ‑1 разработан в середине 90‑х годов XX века временным творческим коллективом "Прикладная геодинамика" в составе кооператива "РОСС". Прибор измеряет наклон поверхности относительно местной гравитационной вертикали в двух взаимно перпендикулярных направлениях по отклонению вертикального маятника с емкостным преобразователем. Изображение установочного блока представлено на рисунке 1.
 

Рисунок 1. Установочные модули наклономеров НШ‑11 и НШ‑12 на постаменте.

Конфигурация наклономеров, установленная в здании ИФЗ РАН, прошла ряд модернизаций и включает установочный блок, блок электроники, USB‑АЦП и персональный компьютер – в качестве регистратора данных.

Текущий диапазон измеряемых наклонов составляет: ±1·10^–4 рад с погрешностью 5·10^–10 рад (прибор работает в двух диапазонах с различной точностью). Коэффициент преобразования по напряжению составляет 5 В на угловую секунду. Диапазон измеряемых частот составляет от 0 до 0,005 Гц. Дрейф нуля составляет 2,4·10^–6  рад. Система оборудована встроенной системой калибровки.

Возможность оперативной передачи данных реализует сервер, обеспечивающий трансляцию данных в формате miniSEED по протоколу реального времени SeedLink. Общий вид данного сервиса схематически изображен на рисунке 2.

Рисунок 2. Общая схема службы публикации данных. Сервер обеспечивает доступ к регистрируемым данным в формате miniSEED по протоколу SeedLink. Для обеспечения входного потока необходима программа (plugin / модуль), преобразующая входной поток данных от регистратора в формат miniSEED (1), любой источник данных в формате miniSEED (2, 3), включая другой SeedLink-сервер (4). В качестве клиентов службы могут выступать любые компьютеры с установленным на них SeedLink-клиентом (K).

Для доступа данных потребителю достаточно воспользоваться SeedLink-клиентом – установить соединение с сервером по заданному TCP-порту и выбрать нужный канал (рисунок 3).

Рисунок 3. Снимок экрана свободно распространяемой программы geopsy (http://www.geopsy.org/) при получении с сервера SeedLink временного ряда одной из компонент сигнала наклономера НШ‑12.

В распоряжении имелись два наклономера: НШ‑11 и НШ‑12. Это позволило одновременно опробовать две схемы оперативной трансляции данных (рисунок 4). Измерения отображаются в графическом окне программой LGraph2, поставляемой в комплекте с АЦП L‑Card, и одновременно сохраняются в пары бинарных файлов заданного формата, описанного в прилагаемой документации.

Рисунок 4. Схемы оперативной публикации данных наклономеров НШ‑11, НШ‑12. Данные с наклономеров НШ‑11, НШ‑12 преобразуются в формат miniSEED на компьютере с архитектурой Intel x86 (операционная система Windows) (1) и проприетарным ПО LGraph2 и одноплатном компьютере с архитектурой ARM (операционная система Arch Linux) и ПО собственной разработки (2) соответственно. Преобразованные данные передаются на сервер центра обработки данных ИФЗ РАН (3) с использованием стандартного протокола HTTP по локальной сети (НШ‑11) и протокола SeedLink по беспроводному каналу сотового оператора (НШ‑12). Сервер ИФЗ РАН обеспечивает доступ к данным в реальном времени по протоколу SeedLink (4), а также к архиву суточных файлов (5) и графическому отображению измерений в реальном времени (6) по протоколу HTTP.

Основу решения подключения НШ‑12 составляет одноплатный компьютер с архитектурой процессора ARM, что позволило нам существенно снизить энергопотребление. В использованном нами продукте RaspberryPi (рисунок 5) этот параметр составляет 3 Вт вместо значений порядка 15‑20 Вт для малопотребляющих вариантов компьютеров с x86‑архитектурой. Для имитации работы в полевых условиях с передачей данных по беспроводному соединению в один из портов был подключен GPRS/3G-модем Huawei E171. Еще один USB‑порт был задействован для подключения АЦП. В качестве локального энергонезависимого запоминающего устройства использовалась SD‑карта объемом 8 ГБ, на которой была развернута операционная система Arch Linux. Эта же карта используется для хранения локального архива данных.

Рисунок 5. Одноплатный компьютер RaspberryPi в корпусе. К компьютеру подведено питание, подключен USB провод от АЦП и 3G/GPRS модем.

В комплект поставки АЦП L‑Card входит драйвер для операционных систем GNU/Linux, который после незначительного изменения исходного кода удалось использовать в данном устройстве. Это дало возможность использовать для взаимодействия с АЦП библиотеку для языка C lcomp, также поставляемую в комплекте с АЦП.

Все необходимые компоненты для создания модуля ввода данных в SeedLink был реализован на языке программирования C++. Программа получает данные от драйвера методами из lcomp, затем, используя функции из библиотеки libmseed, упаковывает их в формат miniSEED. Упакованные данные передаются на вход локального сервера SeedLink с использованием модуля "pipe".

Доступ к оперативным данным осуществляется по протоколу SeedLink в виде соответствующих потоков с сервера ИФЗ РАН. Помимо непосредственно организации общего оперативного доступа к данным наклономера, разработанная система может использоваться и в других целях. Так нами было организовано графическое отображение компонент смещения с использованием интерактивной веб-панели Grafana и специализированной базы данных InfluxDB (рисунок 6).

Рисунок 6. Интерфейс интерактивной приборной панели Grafana, отображающей оперативные данные наклономеров НШ‑11 (верхние панели), НШ‑12 (нижние панели).

Источник:

Алешин И.М., Иванов С.Д., Корягин В.Н., Кузьмин Ю.О., Передерин Ф.В., Широков И.А., Фаттахов Е.А. Оперативная публикация данных наклономеров серии НШ на основе протокола SeedLink // Сейсмические приборы. – 2017. – Т. 53, № 3. – C.31‑41. – DOI:10.21455/ si2017.3-3.

Разработчик: Алешин И.М., Иванов С.Д., Корягин В.Н., Кузьмин Ю.О., Передерин Ф.В., Широков И.А., Фаттахов Е.А. (Институт физики Земли РАН)