Generic Monitoring-System

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1 Generic Monitoring-System Überwachungssystem für Infrastrukturobjekte Zusammenfassung Martin Stahl Klasse B25 Kronwiesenweg Zürich

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3 Inhaltsverzeichnis 1. Zusammenfassung des Diplomberichts Motivation Konzept Realisierung Schlussfolgerungen

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5 1. Zusammenfassung des Diplomberichts Überblick Langzeitmessungen und Überwachungen von Infrastrukturobjekten verlangen oft eine umfangreiche Sensorik mit einer entsprechend aufwändigen Auswerteinfrastruktur vor Ort. Das im Rahmen dieser SWS-Diplomarbeit entwickelte System stellt sicher, dass diese Messsysteme effizient und zuverlässig betrieben und ferngewartet werden können. Das auf Linux basierende System verfügt über alle grundlegenden Basisdienste (z.b. Kommunikation, Messdatenerfassung, Datenaufbereitung usw.), damit es sich leicht an eine konkrete Überwachungsaufgabe adaptieren lässt. Es ist in der Lage, die gewonnenen Daten zu bewerten und im Fall einer unerwarteten Veränderung im Objekt Warnmeldungen als SMS-Nachricht über das GSM-Netz an die Aussenwelt abzusetzen. Das Generic Monitoring-System ist daraufhin optimiert, seinen Dienst bei knappen Ressourcen, unabhängig von ortsgebundenen Versorgungseinrichtungen und unter widrigen Bedingungen autark wahrzunehmen. Hoher Stellenwert wird deshalb der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Gesamtsystems beigemessen. Trotz des breiten Anforderungsprofils ist das System offen und flexibel an neue Messaufgaben anpassbar. Abstract Long term monitoring of civil engineering structures in remote locations require specialized sensors, data collection equipment and software for data analysis. In the framework of this diploma thesis, a measuring system was developed, which performs these tasks efficiently and reliably. The system can be controlled and maintained from remote locations. The Linux based system comprises all the basic services (e.g. communication, data collection, data evaluation etc.) that allow easy adaptation to a particular monitoring task. It assesses the collected data and issues warnings as SMS messages in the case of an unexpected condition. The generic monitoring system is optimized to fulfill its duties independent from supplies, in harsh environment and with tight resources. Reliability and availability are primary goals. Despite the broad spectrum of prerequisites, the system is simple to maintain and open to the adaptation of new measuring tasks Motivation Werden neue Materialien, Verfahren oder Konstruktionen im Bauwesen angewendet, ist die Sicherheit der betroffenen Objekte jederzeit sicherzustellen. Um unerwartete Ereignisse erkennen zu können, wird durch permanentes Erfassen von Messwerten am Objekt eine Datenbasis geschaffen, die es den Fachleuten erlaubt, sich ein detailliertes Bild von den Veränderungen zu machen. Meist liegen diese Objekte nicht in der Nähe des Domizils der Spezialisten, über das ganze Land verteilt. Viele dieser Objekte liegen zudem in entlegenen Gegenden, zum Teil total abgeschnitten von jeglicher Versorgungsinfrastruktur (Elektrizität, Kommunikationsverbindungen etc). 5

6 Generic Monitoring-System Die quälendste Frage für den Fachspezialisten bei einer entfernten Messstation ist dabei immer: "Läuft sie noch?". Dieser Ungewissheit kann er begegnen, indem alle paar Wochen ein Kontrollgang unternommen wird, was aber mit einem hohen zeitlichen Aufwand verbunden ist und Lücken in der Datenbasis im Bereich einiger Wochen nicht verhindern kann. Als weiterer Mangel kommt hinzu, dass die Datenauswertung erst im Labor erfolgt, was zu einer evt. untolerierbaren Verzögerung zwischen dem Eintreten einer Veränderung am Objekt und deren Detektion führen kann. Fernwartung heisst das Zauberwort, das Besserung verspricht. Kann aus der Ferne auf die Messstation zugegriffen werden, ist es jederzeit möglich, festzustellen, dass die Messung noch tadellos läuft. Durch Datenübertragung ist es möglich, die am Objekt gewonnenen Daten ins Basislager der Spezialisten zu übertragen, was ein rascheres Erkennen von kritischen Objektzuständen erlaubt. Durch Fernwartung kann auch die gesamte Messung umkonfiguriert oder komplett umgestellt werden. Immer noch unbefriedigend ist, dass in einem kritischen Zustand keine automatische Alarmierung erfolgt (weil die Messwerte zuvor manuell abgeholt werden müssen) und die hohe Abhängigkeit von externer Infrastruktur. Um auch diese beiden letztgenannten Mängel aus der Welt zu schaffen, muss das System die Messdaten online auswerten und im Falle einer Grenzwertverletzung automatisch eine Alarmmeldung absetzen. Dies kann mittels einer Kurzmeldung über den SMS des GSM-Netzes geschehen. Wird das GSM-Netz auch gleich noch als Verbindungsmedium für die Fernwartung verwendet, und lässt sich die Messstation per Solaranlage betreiben, sind alle Anforderungen an ein universelles Überwachungssystem erfüllt Konzept Das während der Diplomarbeit geschaffene System erfüllt alle im letzten Abschnitt aufgeführten Anforderungen an ein Überwachungssystem. Die Basis für das System bildet das Betriebssystem Linux, mit dem schon ohne eigenes Zutun ein grosser Teil der Kommunikationsbedürfnisse abgedeckt werden. Durch entsprechende Konfiguration der Standarddienste wird erreicht, dass die Messstation sowohl über einfaches Shell-Remotlogin wie auch über Internettechnologie ferngewartet werden kann. Durch den Verzicht auf eine grafische Bedieneroberfläche sowie einer konsequenten Selektion der installierten Dienste kann das System auch auf Rechnerhardware betrieben werden, die nur ein Minimum an Ressourcen zur Verfügung stellen kann. 6

7 Generic Monitoring-System Abbildung 1. Topologie der Kommunikationsdienste des Generic Monitoring-Systems Generic Monitoring-System Basisstation EMPA öffentliches Fernmeldenetz FAX-GW spez. Messsystem A "Fax"-Netz -gw Objekt- Inselnetz Internet spez. Messsystem B Die gesamte Messtätigkeit wird über Software gesteuert und auch die Messdatenauswertung erfolgt in Echtzeit direkt auf dem System. Somit kann die gesamte Messung oder Auswertung jederzeit und aus der Ferne ausgewechselt und geänderten Anforderungen angepasst werden. Das Generic Monitoring-System besitzt zudem die Fähigkeit, selbständig Alarmmeldungen per SMS an eine Gruppe von Empfängern zu verschicken. Zudem ist es möglich, dem System per Kurzmeldung Aufträge zu erteilen und Statusinformationen anzufordern. Für die Lösung einiger problembezogener Aufgaben musste spezielle Software entwickelt werden. Die geforderte Funktionalität wurde in 5 Modulen gruppiert und in den meisten Fällen als eigenständige Applikationen implementiert. 7

8 Generic Monitoring-System Abbildung 2. Module der erstellten Software SMS-Control Datenerfassung SMS-Zentrale Auswertung IP Data-Collector Datenlogger Die einzelnen Applikationen sind so weit wie möglich entkoppelt und benutzen einfache Files als Schnittstelle zusammen. Wo immer möglich und sinnvoll, basieren alle für den Datenaustausch und die Konfiguration notwendigen Files auf XML. XML erlaubt eine Konformitätsprüfung der Fileinhalte und erlaubt ausserdem den Einsatz vorgefertigter Parser, was die Softwareentwickulung erleichtert Realisierung Als Grundlage für das beschriebene System wurde eine Linux-Standarddistribution eingesetzt. Das Aufsetzen der Kommunikationsdienste wird im Bericht in allen Einzelheiten beschrieben, um einen Nachbau weiterer Messstationen zu erleichtern. Das Design der selbst entwickelten Software wurde mit einem CASE-Tool erstellt und in C++ implementiert. Dabei kamen einige Bibliotheken Dritter zum Einsatz, so z.b. für den Betrieb des Mobiltelefons. Die Messdaten, die das Überwachungssystem auswertet, stammen von einer Sensorik, die die Auftraggeberin selbst entwickelt hat. Das erste realisierte System läuft auf einem performanten und kompakten IPC, der im Leistungsverbrauch aber noch über dem tolerierbaren Wert für ein solargespiesenes System liegt Schlussfolgerungen Das erstellte System bietet eine hervorragende Plattform für die Realisierung objektspezifischer Überwachungsstationen. Es wurde darauf geachtet, dass auf dem Zielsystem nur Software eingesetzt wird, die der GNU GLP untersteht. Einer weiteren Verbreitung des Systemkonzepts und der erstellten Software steht somit nichts im Weg. 8

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