Informatique Industrielle Formation CESI Ingnieur Gnie lectrique Prsentation

Informatique Industrielle Formation CESI Ingénieur Génie Électrique Présentation 3/3 Patrick MONASSIER Année 2009 1

La façon dont va se dérouler le cours C’est un cours magistral illustré par des exemples de problématiques industrielles exprimées à l’aide de plusieurs mises en applications vécues. Ces exemples permettent d’introduire des parties de cours théoriques sur la programmation des systèmes informatique industriels et de présenter des applications ayant trouvé des prolongements pratiques dans des domaines variés. 1. 2. 3. Introduction sur l’informatique industrielle Application de sécurité d’anticollision sur grues Supervisions et IHM en lien avec des robots industriels 4. Systèmes embarqués pour le transport routier (GPS, WIFI, GPRS) Ces exemples sont issus de cas réels développés et mis en œuvre par l’intervenant 2

Module Informatique Industrielle (3/3) 4 Systèmes embarqués pour le transport routier (GPS, WIFI, GPRS) Les architectures de communication et de géolocalisation GPS/GPRS. · Les liens entre le microprocesseur et les périphériques de communication · Les principes de programmation et l’ordonnancement des actions, les priorités et le traitement des évènements dans le temps. · La labellisation de projets dans le cadre des Pôles de Compétitivité et des financements OSEO. 3

Partie 3 – Systèmes embarqués pour le transport routier GPS, WIFI, GPRS 4

Organisation de la carte électronique http: //www. sagem-communications. com (modules GSM) http: //www. u-blox. com Module GPS Module GPRS u. Blox LEA 5 S Sagem Hi. Lo Liaison série Trames NMEA http: //www. lairdtech. com Liaison série Microprocesseur Liaison série Module Wifi WISMC 01 BI 802. 11 b/g 5

Global Positioning System ou GPS Géo-Positionnement par Satellite, est le principal système de positionnement par satellites mondial actuel de plus il est actuellement le seul à être entièrement opérationnel. Les signaux de positionnement sont transmis par satellites. Une personne munie d‘un récepteur peut se localiser et s'orienter sur terre, sur mer, dans l'air ou dans l'espace au voisinage de la Terre. http: //www. gpspassion. com Tout comme les anciens marins navigateurs et il n'y a pas si longtemps encore les aviateurs navigateurs faisaient le point au sextant, avec des calculs très compliqués et a l'horloge de précision pour se situer en tout point sur terre, mer ou dans les air, les navigateurs modernes font toujours le point avec leur récepteur GPS, mais utilisent la puissance des calculateurs intégrés dans les micro-processeurs de ceux-ci. Le moment précis ou la position est affichée et acquise s'apelle "le FIX" dans le jargon gps-iste. Pour en arriver là, il y a en amont, tout un sytème déployé depuis les satellites de positionnement global, jusqu'à l'écran ou l'imprimante, en passant par les stations à terre chargées de contrôler la course des satellites, de coordonner les temps et les horloges ultra-précises embarquées, de vérfier les abaques, les almanachs et les éphémérides, et le récepteur GPS qui va recevoir tous les signaux de données, les analyser, les intègrer pour calculer LA POSITION - LE FIX, qu'il va transmettre sous forme de trames de données au standard NMEA via son port de sortie à chaque seconde. En bout de ligne, un logiciel de traitement de données et plus généralement un logiciel de navigation , va déconcanténiser les trames NMEA significatives et en extraires les informations pour les présenter à l'affichage soit sur imprimante soit sur écran sous forme de coordonnées et de données supplémentaires. 6

Global Positioning System ou GPS Le GPS est basé sur une constellation de 24 satellites au minimum en orbites. La position de chaque satellite est précisément connue à tout moment. En continu et 24 h sur 24, les satellites émettent des signaux incorporant l'heure précise, sur deux fréquences UHF de la bande L, L 1 à 1575. 42 Mhz et L 2 à 1227. 6 MHz. Une horloge atomique est utilisée à bord des satellites. Cette horloge est basée sur un compteur de cycles qui va compter 9192631770 cycles pendant une seconde. Ce nombre est exactement la fréquence de la vibration qui fait passer l'atome de Césium 133 du niveau f 3 au niveau f 4. C'est dire la précision de cette référence de temps. Le satellite êmet des signaux codés qui comprennent, ses éphémérides (données qui permettent de calculer sa trajectoire et sa position dans le ciel), son almanach (dâtes de mise à jour et validité des informations) et surtout l'heure. Tout récepteur satellite doit avoir téléchargé ces informations, ce qui prend 18 secondes dans le cas des éphémérides dans des conditions optimales. Les signaux sont captés à vue par l'antenne incorporée (ou déportée) du récepteur GPS, qui compare alors les codes horaires avec les siens propres, pour chronométrer le temps mis par le signal, pour atteindre le récepteur. Le temps ainsi obtenu est multiplié par la vitesse de la lumière (299 792. 5 km/s) et le déphasage indique par calcul, la distance entre le satellite et le récepteur. Ce qui détermine un cercle de géolocalisation sur la sphère terrestre. Avec les signaux de trois satellites différents, par triangulation des trois cercles on obtient la position. Si les horloges des satellites et du récepteur sont synchrones, la précision est meilleure. Les signaux d'un quatrième satellite sont nécessaires pour lever l'incertitude de position (élimination du point d'incertitude) et donner la position en 3 D (altitude). Par calcul sur la variation des signaux et l'intégration des informations qui en découlent, le microprocesseur du GPS peut fournir d'autres données telles que, vitesse du déplacement, cap vrai du déplacement, variation positive ou négative en pourcentage de l'altidute, correction de l'altitude par calcul avec les données de la géoïde du lieu. D'autres calcul, seront faits par la suite dans le logiciel d'intégration et de visualisation des données tel qu'un logiciel de Navigation. 7

Global Positioning System ou GPS Il est important de signaler, que la déviation ou la reflexion du trajet des ondes electromagnétiques dans les couches de la troposphère, de la ionosphère et des couches denses de l'athmosphère, n'affectent que le temps mis par le signal pour parvenir du satellite au récepteur GPS, et ce d'une valeur négligeable, qui n'a aucune influence dans le temps d'acquisition et du FIX. On ne considérera donc que les obstacles qui interromptent physiquement le trajet de l'onde et coupent le signal. • Obstacles naturels : Montagnes, cavernes, grottes, passage étroit, routes de montagne, etc. • Obstacles artificiels : Murs, immeubles élevés, canyon urbain, ponts (en dessous), tunnels, etc. • Obstacles occasionnels : Circulation en file entre des poids-lourds. • Cages de Faraday : A l'intérieur d'un volume en métal (voiture; habitacle, coffre), d'une pièce en béton armé, d'un immeuble, d'une structure métallique, etc • Pares brises athermiques : • Zones de multi-réflexion ou de rebond des ondes. • Phénomènes athmosphériques : Cumulo-nimbus. • Phénomènes de propagation, brouillage radio. Il existe d’autres systèmes de positionnement par satellite opérationnels, sans atteindre cependant la couverture ou la précision du GPS : GLONASS est le système russe, qui n'est pas pleinement opérationnel Beidou est le système de positionnement créé par la République populaire de Chine, opérationnel uniquement sur le territoire chinois et régions limitrophes (il utilise des satellites géostationnaires, au nombre de quatre actuellement) L'Inde prépare également son système de positionnement Enfin il y a Galileo qui est le système civil de l'Union européenne en cours de test depuis 2004. À terme, il est destiné à être au moins équivalent au GPS en termes de couverture et de précision. 8

Global Positioning System ou GPS NOTATIONS DES COORDONNEES dans le Système GPS International - WGS 84 (World Geodetic System 1984 : Système géodésique mondial, révision de 1984) est le système géodésique associé au GPS il s'est rapidement imposé comme une référence "standard" pour la cartographie. On a choisi le DEGRE comme unité de mesure des coordonnées symbole ( ° ). Les sous-multiples du degré sont: la minute ( ' ) et la seconde ( " ) - Il y a 60' dans 1° et 60" dans 1' - soit 3600" dans 1°. On peut aussi utiliser la division décimale ou centésimale (base 10) du degré. Exemple: 1 degré 15 minutes ( 1° 15' ) est identique à 1, 25 degré (1 degré 25 centièmes) tout comme 1 heure 15 minutes = 1, 25 heures = 1 heure et un quart. REMARQUE IMPORTANTE: Le système de notation des unités de mesures en FRANCE est basé sur la VIRGULE décimale. La plupart des autres pays utilise le POINT décimal, parce que les programmes informatiques de fonctions arithmétiques sont conçus pour le point décimal. Notations utilisées : Degrés-Minutes-Secondes - DMS - E 26° 42'54’’ - Précision ~30, 8 mètres à l'équateur Degrés-Décimaux - D. d - W-4. 5678343° - Précision jusqu'au millimètre. Degrés-Minutes décimales - DM. d -42° 35. 865' Degrés-Minutes-Secondes décimales - DMS. d E 126° 45'23. 123 - Avec 3 décimales de secondes, ~3 centimètres. 9

GPS - Les trames NMEA National Marine Electronics Association - http: //www. nmea. org/ NMEA - National Marine & Electronics Association, est une Association à but non lucratif fondée par un groupement de professionnels de l'industrie de l'électronique des périphériques marine. Leur but entre autre, harmoniser et standardiser les équipements de la marine. NMEA est à l'origine de nombreux standards et en particulier du Standard NMEA-0183 GPS. La dernière version est la NMEA-2000 qui diffère peu au niveau des trames mais permet le support physique réseau CAN. Sous ce standard, toutes les données sont transmises sous la forme trames codées en caractères ASCII (sentences, phrases). Il y a une transmission de toutes les trames en paquet, toutes les secondes d'horloge interne du GPS soit une fréquence de 1 Hz. Chaque trame commence par le caractère $ - Suivi par un groupe de 2 lettres pour l'identifiant du récepteur, par exemple: GP pour Global Positioning System. Pour certains fabricants propriétaires comme par exemple : Garmin, l'indication P pour propriétaire est suivie du code 3 lettres du fabricant garmin = $PGRM, puis ensuite l'identifiant de trame et le format des données sont libres pour ce fabriquant. Puis un groupe de 3 lettres pour l'indentifiant de la trame. GGA : pour GPS Fix et Date. - GLL : pour Positionnement Géographique Longitude-Latitude. - GSA : pour DOP et satellites actifs. - GSV : pour Satellites visibles. - VTG : pour Direction (cap) et vitesse de déplacement (en noeuds et Km/h). - RMC: pour données minimales exploitables spécifiques…. Suivent ensuite un certain nombre de champs (fields) séparés par une "virgule". Le rôle de la virgule est d'être le séparateur de champs, qui permet la déconcaténation des données dans le programme de traitement des données, calculateur, navigateur. Et enfin un champs optionnel dit checksum précédé du signe * , qui représente le OR exclusif de tous les caractères compris entre $ et * (sauf les bornes $ et *), certaines trames exigent le checksum. Suit la fermeture de la séquence avec un [CR][LF]. Il y a un total de 82 caractères maximum pour une trame. 10

GPS - Les trames NMEA – quelques exemples de trames NMEA Données d'acquisition du FIX – GPS – Trame GGA $GPGGA, 123519, 4807. 038, N, 01131. 324, E, 1, 08, 0. 9, 545. 4, M, 46. 9, M, , *42 123519 = Acquisition du FIX à 12: 35: 19 UTC / 4807. 038, N = Latitude 48° 07. 038' N / 01131. 324, E = Longitude 11° 31. 324' E 1 = Fix qualification : (0 = non valide, 1 = Fix GPS, 2 = Fix DGPS) / 08 = Nombre de satellites en pousuite. 0. 9 = DOP (Horizontal dilution of position) Dilution horizontale. / 545. 4, M = Altitude, en Metres, au dessus du MSL (mean see level) niveau moyen des Océans. / 46. 9, M = Correction de la hauteur de la géoïde en Metres par raport à l'ellipsoîde WGS 84 (MSL). (Champ vide) = nombre de secondes écoulées depuis la dernière mise à jour DGPS. / (Champ vide) = Identification de la station DGPS. *42 = Checksum / Non représentés CR et LF. Position Géographique - Longitude / Latitude – GPS - Trame GLL $GPGLL, 4916. 45, N, 12311. 12, W, 225444, A 4916. 46, N = Latitude 49° 6. 45' Nord. / 12311. 12, W = Longitude 123° 11. 12' West (ouest) / 225444 = Acquisition du. Fix à 22: 54: 44 UTC A = Données valides / Pas de checksum / Non représentés CR et LF Satellites en vue – GPS – Trame GSV $GPGSV, 2, 1, 08, 01, 40, 083, 46, 02, 17, 308, 41, 12, 07, 344, 39, 14, 228, 45*75 2 = Nombre de trames GSV avec les données complètes. 1 = Trame 1 de 2 trames (jusqu'à 3 trames) / 08 = Nombre de satellites visibles (SV). / 01 = N° d'identification du 1 er Satellite. 40 = Elevation en degrés du 1 er Satellite. / 083 = Azimuth en degrés du 1 er Satellite. / 46 = Force du signal du 1 er Satellite (Plus grand=meilleur) Cap (direction) et vitesse sol GPS – Trame VTG $GPVTG, 054. 7, T, 034. 4, M, 005. 5, N, 010. 2, K 054. 7, T = cap réel en Degrés , T (True track made good) / 034. 4, M = cap vrai magnétique en Degrés (Magnetic track made good) 005. 5, N = Vitesse du déplacement par rapport au sol en Noeuds (N) / 010. 2, K = Vitesse du déplacement par rapport au sol en Kilomètres heure. (K) / non représentés CR et LF Données minimales recommandées de spécification GPS – Trame RMC $GPRMC, 225446, A, 4916. 45, N, 12311. 12, W, 000. 5, 054. 7, 191194, 020. 3, E*68 225446 = Heure du Fix 22: 54: 46 UTC / A = Alerte du logigiel de navigation ( A = OK, V = warning (alerte) 4916. 45, N = Latitude 49° 16. 45' North / 12311. 12, W = Longitude 123° 11. 12' West / 000. 5 = vitesse sol, Knots 054. 7 = cap (vrai) / 191194 = Date du fix 19 Novembre 1994 /020. 3, E = Déclinaison Magnetique 20. 3 deg Est *68 = checksum obligatoire / Non représentés CR et LF 11

GPRS – Les principes Le General Packet Radio Service ou GPRS est une norme pour la téléphonie mobile dérivée du GSM permettant un débit de données plus élevé. On le qualifie souvent de 2, 5 G. Le G est l'abréviation de génération et le 2, 5 indique c'est une technologie à mi-chemin entre le GSM (2 e génération) et l'UMTS (3 e génération). Le GPRS est une extension du protocole GSM : il ajoute par rapport à ce dernier la transmission par paquets. Cette méthode est plus adaptée à la transmission des données. En effet, les ressources ne sont allouées que lorsque des données sont échangées, contrairement au mode « circuit » en GSM où un circuit est établi – et les ressources associées – pour toute la durée de la communication. Le GPRS permet de fournir une connectivité IP constamment disponible à une station mobile (MS), mais les ressources radio sont allouées uniquement quand des données doivent être transférées, ce qui permet une économie de la ressource radio. Les utilisateurs ont donc un accès bon marché, et les opérateurs économisent la ressource radio. De plus, aucun délai de numérotation n'est nécessaire. Le GPRS introduit lui de nouveaux équipements. La connexion GPRS suit le cheminement suivant : MS -> BTS -> BSC -> SGSN -> Backbone GPRS (Réseau IP) -> GGSN -> Internet. Mobile Station (MS) ou Station Mobile est un terme qui désigne un élément de base du système cellulaire de téléphonie mobile GSM. Une carte SIM représentant l'abonnement souscrit et contient des paramètres clé le concernant. La BTS ou Base Transceiver Station est un élément de base du système cellulaire de téléphonie mobile GSM, appelé plus communément antenne-relais GSM. BSC, ou Base Station Controller (en français, Contrôleur de Station de base) est l'un des éléments du réseau GSM. Son rôle est de commander un certain nombre de BTS (jusqu'à plusieurs centaines). À leur tour, plusieurs BSC sont reliées à la hiérarchie supérieure du réseau mobile, le Mobile service Switching Center (MSC). BTS ou Base Transceiver Station Le SGSN (Serving GPRS Support Node) est une passerelle permettant l'acheminement des données dans les réseaux mobiles GPRS. Il gère l'interface avec le réseau de paquets externe (e. g. IP) via une autre passerelle, le GGSN (Gateway GPRS Support. Node) pour les appels sortants (chaque GGSN est identifié par l'Acces Point Name fournie dans la demande d'activation du mobile) et vers la station mobile pour les appels entrants. Il maintient les informations identifiant l'abonné et les services utilisés. Il contrôle la localisation du mobile sur une « Routing Area » . Le GGSN (Gateway GPRS Support Node) est une passerelle d’interconnexion entre le réseau paquet mobile (GPRS ou UMTS) et les réseaux IP externes. 12

GPRS – Les principes MS Mobile Station BTS Base Transceiver Station BSCBase Station Controller SGSN Serving GPRS Support Node GGSN Gateway GPRS Support Node Quelques indications de tarifs • Abonnement : 3€ / mois • Transferts : 1€ / 1 Mo / mois 13

GPRS – Les commandes AT Exemple de commande AT HOW TO USE FTP SPECIFIC COMMANDS A propos des modules M 2 M Les modules M 2 M (machine to machine) permettent la communication entre machines via des réseaux sans fil et sans aucune intervention humaine. Ainsi les machines deviennent intelligentes. On trouve aujourd’hui des modules M 2 M dans des terminaux de paiement ou des systèmes d’alarme par exemple. Cette technologie rend également possible la gestion à distance d’un parc de machines. Cela peut être le cas des flottes de voitures de location ou toucher des domaines aussi variés que la sécurité, la santé, l’environnement, les équipements de bureau… 14

WIFI industriel Embarqué Le module incorpore la pile TCP/IP et est compatible 802. 11 b/g. On dialogue avec le module via une liaison série RS 232. Une application est flashée sur le module permettant d’y intégrer des commandes Personnalisées (firmware) RS 232 Antenne 15

Wifi – Exemples de commandes localip num ip mask gateway primary. DNS secondary. DNS domain Synopsis: Sets the static IP addresses of the specified AP. If no static IP addresses are specified for a particular AP, then it is assumed that DHCP will be used. Parameters: All IP addresses are entered in the xxx. yyy. zzz. aaa format. · num: AP number to be modified. Up to 3 APs can be added, so this number is in the. range 1 -3. · ip: specifies the static IP address for the unit · mask: Specifies the subnet mask. · gateway: specifies the gateway IP address · primary. DNS: IP address of the primary DNS server · secondary. DNS: IP address of the secondary DNS server. · domain: Domain name. addap num ssid dhcp auth key Synopsis: Adds another access point to the system. Parameters: · num: AP number to be added. Up to 3 APs can be added, so this number is in the range 1 -3. · ssid: ssid of the access point in quotes. · dhcp: 0 indicates that DHCP is disabled, 1 indicates that DHCP is enabled. If DHCP is disabled, the static IP address must be supplied using the localip command. · auth: flag indicating the type of authentication according to the following table: auth Authentication type 0 No encryption - 1 WEP / open authentication - 2 WEP / shared key authentication - 3 WPA Personal - 4 Reserved - 5 WPA 2 Personal - 6 Reserved · key: Encryption key for the AP in quotes. If the AP does not use encryption then this parameter is omitted. Example: The following example sets up an access point with DHCP enabled, open authentication and 128 bit WEP encryption. addap 1 “Ezurio Wi-Fi” 1 1 “ 1234567890 abcedffedcba 9876” The following example sets up an access point with DHCP disabled, WPA Personal security and a passphrase to generate the key: addap 2 “Ezurio 2” 0 3 “The rain in Spain falls mainly on the plain” Returns: OK, ERROR 16

Discussion Vision des aspects réactifs du système dans une application de géolocalisation temps réel GPRS ou différée par Wifi 17

Informatique Industrielle Formation CESI Ingénieur Génie Électrique Fin de la Partie 4 « Systèmes embarqués » 18