Aktuální vydání

celé číslo

01

2019

Automatizace v potravinářství a farmacii

celé číslo

Komunikace mezi řídicími systémy s využitím GSM-GPRS

Automa 11/2001

Ing. Otakar Müller, Conel s. r. o.

Komunikace mezi řídicími systémy s využitím GSM-GPRS

Komunikace GSM-GPRS
Mobilní komunikace GSM (Global System for Mobile Communications ) je fenoménem doby. Její obrovský rozvoj za posledních několik let zaznamenal každý, kdo ví, co je telefon a k čemu se používá. Ať chceme nebo nechceme, signál sítě GSM je přítomen téměř všude a jen vypnutím mobilního telefonu lze ochránit svoje soukromí. Systém GSM vtrhnul do světa s takovou razancí, že zlikvidoval i tak grandiózní projekt, jakým bezesporu byl satelitní komunikační systém Iridium. Hlavní směr, kterým byl dosud systém GSM zaměřen, byla hlasová komunikace. Přenos dat je samozřejmě možný, ale vytáčené spojování a zprávy SMS lze pro tyto účely použít pouze v omezené míře. Širší využití komunikace GSM pro přenos dat lze očekávat s implementací dalších generací systému. Prvním skutečným krokem směrem k mobilním datovým komunikacím je implementace jeho dvaapůlté generace – systému GPRS (General Packet Radio System).

Obr. 1.

Systém GSM-GPRS je navržen s ohledem na snadný přístup klientů k serverům internetu a intranetu. To je patrné již z protokolu IP použitého na rozhraní mobilních telefonů GSM-GPRS a komunikačních modulů (PPP protokol). Počítač se připojí do internetu nebo intranetu stejným způsobem jako přes telefonní modem.

Systém GSM-GPRS má dvě základní výhody. První je dána definicí normy. Uživatel může být trvale připojen, aniž by trvale zabíral komunikační kanál GSM. Druhou výhodu přinesli operátoři sítí GSM, když v systému GPRS neúčtují čas připojení, ale jen množství přenesených dat. Tyto dvě vlastnosti sítě GSM-GPRS otevřely nové možnosti využití mobilních komunikací.

Propojit řídicí systémy pomocí GSM-GPRS není tak jednoduché jako se připojit počítačem k internetu. V první řadě musí řídicí systém zvládnout komunikaci v protokolu PPP, aby se přes mobilní telefon dokázal připojit do GSM-GPRS. Protokolem PPP přitom dokáže komunikovat málokterý řídicí automat. Je-li první podmínka splněna, nastane problém s IP adresou. Standardně jsou IP adresy přidělovány dynamicky. Řídicí systém by se mohl chovat jako klient a připojit se na server v internetu. Často je však třeba, aby bylo možné z řídicího systému číst data. Pak je ovšem nutné vyžádat od operátora pevnou internetovou adresu. Poté je řídicí systém přístupný jako internetový server z celé sítě Internet. Pro uživatele by tato varianta mohla být výhodná, kdyby neexistovalo nebezpečí, že bude řídicí systém vystaven, podobně jako jiné a lépe zabezpečené servery, útoku zvenčí. Zejména v současné době je třeba přistupovat k bezpečnostním hlediskům řídicích systémů zvlášť seriózně. Řídicí systémy jako servery přístupné z internetu by jistě příliš přísná bezpečnostní kritéria nesplňovaly. Pro komunikaci mimo internet je třeba nalézt jiné řešení, jak GSM-GPRS používat.

AGNES – privátní sítě pro telemetrii
S jiným řešením přichází systém AGNES (Advanced GPRS NEtwork System). Uživatelům nabízí vytvoření virtuálních privátních sítí (Virtual Private Network – VPN) vytvořených nad GSM-GPRS. AGNES využívá infrastrukturu GSM-GPRS jako linkovou vrstvu své komunikace, tedy jako dopravník paketů dat. Aby byl odstraněn problém dynamického přidělování IP adres, poskytl operátor sítě GSM-GPRS pro AGNES privátní APN (Access Point Name). Privátní APN je přístupový bod do sítě GPRS, který zajišťuje oddělení adresových prostorů v síti GPRS. Je možné si jej představit jako lokální síť, ve které jsou adresy počítačů přidělovány správcem této sítě nezávisle na vnějším okolí. V systému AGNES mohou mít jednotlivé komunikační prostředky přidělenu pevnou IP adresu, aniž by tato byla přístupná z internetu. Uživatel standardního GSMGPRS a uživatel v systému AGNES jsou odděleni díky prostředkům operátora sítě GSM GPRS.

Systém AGNES však nabízí ještě mnohem více. Jeho základním stavebním kamenem je komunikační modul CGU 02, vykonávající několik funkcí, které umožňují propojit uživatelské řídicí systémy privátních sítí. Obsahuje rádiový modul GSM, takže se přímo připojuje do mobilní sítě GSM. Uživateli jsou přístupna čtyři uživatelská rozhraní. Tři z nich jsou sériové porty RS-232, konfigurovatelné podle požadavku uživatele. Každý sériový port může komunikovat nejen jinou rychlostí, ale také rozdílným uživatelským protokolem. V CGU 02 je implementována řada standardních protokolů (Profibus, Mbus, S-Bus, Modbus, AT modem, EPSNET atd.), jejichž počet je rozšiřován podle požadavků uživatelů. Čtvrtým uživatelským rozhraním je pět signálů konfigurovatelných jako analogové vstupy, binární vstupy nebo binární výstupy. Toto rozhraní lze přímo použít pro sběr dat nebo řízení technologie.

V systému AGNES může být vytvořeno až 65 535 virtuálních soukromých sítí různých uživatelů a v každé síti může komunikovat až 65 535 uživatelských zařízení. Takovýchto systémů může být v síti jednoho operátora vytvořeno několik (obr. 1).

Obr. 2.

Důležitou funkcí modulu CGU 02 je také vytváření a správa VPN uživatelského komunikačního systému. Každému uživatelskému rozhraní může být přiřazena adresa VPN, na základě které mohou řídicí systémy mezi sebou komunikovat. Modul CGU 02 obstarává obousměrnou konverzi adres mezi VPN a IP adresami (obr. 2).

Základním atributem systému AGNES je bezpečnost VPN. Správa systému je vytvořena tak, aby jednotliví uživatelé měli přístup pouze do svých sítí, a ne do sítí jiných uživatelů. Každé tzv. SIM kartě, která je pro uživatele aktivována, je přidělena pevná IP adresa a zároveň čísla sítí, ve kterých se může vyskytovat. Jestliže je modulu CGU 02 s touto SIM kartou přiřazena jiná adresa sítě, modul není pro tuto síť aktivován a neumožní komunikaci. Zároveň ohlásí tuto kolizi centrálnímu počítači (Global DNS), který vyhodnotí, s kterou SIM kartou byl učiněn pokus o přístup do cizí sítě.

Vlastnosti virtuálních privátních sítí AGNES
Základní charakteristiky vlastní komunikace mezi jednotlivými zařízeními VPN vycházejí zcela z technických dispozic GPRS. Vzhledem k rozčlenění posílaných dat na jednotlivé pakety není možné jednu zprávu odeslat všem modulům současně (tzv. broadcast). Rychlost přenosu dat je rozdílná pro vysílání a příjem. Vysílací rychlost je 13 kb/s a přijímací může dosahovat až hodnot čtyřikrát vyšších. Pro telemetrické systémy je často důležitá doba přenosu zprávy (paketu) mezi dvěma řídicími systémy. Zde je doba přenosu zprávy dlouhé 100 znaků většinou kratší než 1 s. V souvislosti s tím je třeba si uvědomit, že ve stejný okamžik může v jedné VPN současně komunikovat několik řídicích systémů, aniž by nastaly kolize při komunikaci. Tato možnost vybízí k používání komunikace řízené událostmi, kdy data jsou přenášena pouze při vzniku události, která má být přenesena do jiného bodu VPN.

Zásadní vlastností řešení je možnost připojit se do sítě AGNES všude tam, kde je k dispozici signál operátora GSM. V blízké budoucnosti, s vyřešením propojení GPRS jednotlivých operátorů (rooming), bude možné síť realizovat minimálně na území celé Evropy. VPN může být mobilní, rozsáhlá a velmi pružně realizovatelná. Použití VPN v systému AGNES je podobně jednoduché jako použití mobilních telefonů. Se systémem AGNES dostává uživatel k dispozici i účinný nástroj pro správu sítě, servis a konfigurování komunikačních modulů CGU 02.

Aplikace virtuálních privátních sítí AGNES
Systém AGNES najde své použití tam, kde je třeba v reálném čase přenášet data mezi několika zařízeními současně. Typickými příklady použití jsou:

  • řízení technologických systémů,
  • sledování a zabezpečení mobilních prostředků,
  • zabezpečení objektů,
  • telemetrie, meteorologie apod.,
  • terminály on-line peněžních a jiných služeb.

Conel s. r. o.
Sokolská 71
562 04 Ústí nad Orlicí
tel.: 0465/52 10 20
fax: 0465/52 10 21
e-mail: conel@conel.cz
http://www.conel.cz