Consumer Electronics - nowe wyzwanie dla Internetu

1. WPROWADZENIE

Etap mikroprocesorowej rewolucji, która dokonała się w minionym 20-leciu w obszarze urządzeń powszechnego użytku, na trwałe skomputeryzował sprzęt gospodarstwa domowego, sprzęt audio-video oraz branżę motoryzacyjną. Kolejnym etapem rozwoju obszaru Consumer Electronics jest integracja urządzeń powszechnego użytku z systemami informacyjnymi wspomagającymi zdalny kontakt dostawcy towarów i usług z konsumentem. Integracja ma na celu automatyzację tych kontaktów dążąc do minimalizacji udziału człowieka na etapie nabywania produktów konsumpcyjnych, a także ich serwisowania podczas późniejszego użytkowania. Można przewidywać, iż spełnią się futurystyczne zapowiedzi wizjonerów, w których sprzedawca przychodzi do domu i informuje domownika, iż jego lodówka złożyła właśnie zamówienie na brakujące produkty spożywcze (regulując jednocześnie należność). Albo parafrazując słowa znanej reklamy telewizyjnej, zjawia się serwisant i mówi: “Ja do pralki, bo właśnie mnie wezwała”, obrazując efekt zdalnej diagnostyki elektronicznej.

2. OBSZARY ZASTOSOWAŃ

Technologie do centralnego zarządzania sprzętem powszechnego użytku (rys. 1) są rozwijane przez większość liczących się producentów podzespołów elektronicznych. Prekursorem zasługującym na uwagę jest firma Dallas Semiconductor, która zaproponowała w 1998 roku miniaturowe moduły programowalne w języku Java, służące do kontroli domowych urządzeń elektrycznych. Medium komunikacyjne stanowiła w tym przypadku domowa sieć energetyczna. Jednak, proponowane od roku 1999 rozwiązania bazują już na sieci Ethernet i protokołach standardu TCP/IP. Powszechny w większości krajów rozwiniętych dostęp do sieci LAN/WAN i jej globalny zasięg oferuje nowe możliwości dla obszaru Consumer Electronics.

Rys. 1. Łączenie sprzętu domowego z Internetem poprzez moduły wbudowanych mikroserwerów

Najważniejsze dziedziny zastosowań miniaturowych serwerów wbudowywanych w urządzenia to:

zarządzanie eksploatacją urządzeń,
automatyzacja płatności,
testowanie i diagnostyka urządzeń,
systemy bezpieczeństwa i nadzoru,
monitoring przemysłowy i medyczny,
sieci CAN (Controller Area Network),
pomiar i akwizycja danych.

Z punktu widzenia “gospodarki XXI wieku” najbardziej obiecujące są trzy pierwsze obszary. Połączenie zarządzania eksploatacją urządzenia domowego z automatyzacją płatności umożliwi realizację transakcji zakupu przy minimalnym udziale człowieka. Przykładem aplikacji już rozwijanych w tym obszarze są systemy personalizacji przekazu telewizyjnego. Inżynierowie ASA-Lab (PHILIPS) opracowują nową wersję modułu Set-top box do konfigurowania programów telewizyjnych za pośrednictwem Internetu.
Z kolei testowanie i diagnostyka urządzeń na poziomie pakietów elektronicznych jest aktualnym obszarem badań inżynierii elektronicznej i komputerowej. Skoncentrowano uwagę szczególnie na wbudowanych układach samotestujących BIST (Built-in Self Testers) [2, 3]. Jednak niewielka moc obliczeniowa praktycznych implementacji tych modułów wykluczała stosowanie wydajnych lecz złożonych obliczeniowo algorytmów diagnostycznych. Rozwiązaniem alternatywnym są układy samotestujące z zewnętrzną mocą obliczeniową serwowaną poprzez Internet. Zdalna i zautomatyzowana diagnostyka obniży znacząco koszt serwisowania i zapewni większą niezawodność urządzeń.

3. DOSTĘPNE TECHNOLOGIE

Centralne kontrolowanie funkcjonowaniem elektrycznego sprzętu domowego ze strony programistycznej zapewnia, uznane za standard przemysłowy, środowisko programistyczne Java rozwijane przez inżynierów laboratoriów firmy Sun. Ciekawostką jest fakt, iż język ten – niezależny od platformy sprzętowej, pierwotnie opracowany do projektowania aplikacji obiektowych dla urządzeń, stał się od 1995r. popularnym standardem aplikacji internetowych – zarówno tych uruchamianych na serwerach (servlets) jak i niewielkich aplikacji osadzanych w dokumentach hipertekstowych (applets). Urządzeniom powszechnego użytku Sun dedykuje nową platformę programistyczną J2ME (Java 2 Platform, Micro Edition) [4].

Consumer Electronics - nowe wyzwanie dla Internetu

Rys. 2. Konfiguracja klasyczna systemu diagnostycznego z zewnętrzną mocą obliczeniową

Przytoczony wcześniej, przysłowiowy wręcz przykład z lodówką w praktyce mógłby być realizowany w postaci wbudowanego mikrokomputera jednoukładowego z interfejsem użytkownika połączonego za pośrednictwem Internetu i serwera aplikacji e-commerce z pobliskim sklepem spożywczym. Technologia do realizacji wbudowanych modułów z dostępem internetowym realizujących tego typu interakcję z użytkownikiem, jest dostępna. Przykładowym układem klasy SOC (System on a Chip) o odpowiedniej mocy obliczeniowej jest oferowany przez firmę ZiLOG układ scalony eZ80190 [5], realizujący m.in. stos protokołów TCP/IP z usługami aplikacyjnymi: HTTP, SMTP, FTP, Telnet i in. Układ tej klasy jest doskonałą alternatywą dla dotychczas stosowanych systemów, w których do połączenie z Internetem i interakcji z użytkownikiem wymagana była obecność komputera. W podobny sposób wyglądały komputerowe systemy do diagnostyki urządzeń elektronicznych. Pomiędzy moduły BIST, a sieć stawiano autonomiczny komputer z szeregiem interfejsów komunikacyjnych (rys. 2), co wykluczało diagnostykę urządzeń w warunkach domowych lub plenerowych. Dopiero uzupełnienie wbudowanego układu samotestującego o miniaturowy moduł stosu protokołów TCP/IP daje możliwość zdalnej diagnostyki urządzeń domowych. W przypadku modułów BIST zbędna jest interakcja z użytkownikiem. Wystarczy, że będzie realizowana peryferyjna funkcję interfejsu komunikacyjnego dla istniejącego już systemu mikroprocesorowego. W większości przypadków wymagana może być realizacja interfejsu klasy CAN lub połączenia szeregowego w standardzie RS-232. Gotowym podzespołem pozwalającym na podłączenie dowolnego urządzenia wyposażonego w port szeregowy do Internetu jest mikroserwer CoBox-Micro firmy Lantronix [6].

Rys. 3. Moduł mikroserwera CoBox-Micro firmy Lantronix. Źródło: [6]

Przedstawiony na rysunku 3 moduł o wymiarach zaledwie 4,0 x 4,9 cm jest kompletnym autonomicznym serwerem WWW z konfigurowalnym adresem IP. Serwer ten udostępnia applety Java do konfigurowania poprzez WWW zarówno parametrów protokołów TCP/IP jak i parametrów interfejsu RS-232. Usługa Telnet pozwala na łatwe przejście w tryb terminala urządzenia podłączonego do portu komunikacyjnego. W trybie tym wszelkie dane wysyłane na poziomie warstwy gniazd protokołu TCP/IP [7] trafiają bezpośrednio do podłączonego urządzenia. Analogicznie, odpowiedzi generowane przez urządzenie są natychmiast przekazywane do zdalnego klienta TCP/IP.

4. PRZYKŁADOWA IMPLEMENTACJA STOSU PROTOKOŁÓW TCP/IP

Skuteczne łączenie urządzeń nie-sieciowych z Internetem wymaga użycia platformy pośredniczącej z możliwie kompletną implementacją stosu protokołów standardu TCP/IP. Implementację protokołów, którą można wskazać jako modelową zaproponowała firma Dallas Semiconductor w mikroserwerze TINI bazującym na mikrokontrolerze DS80C390 [1]. Wbudowane w moduł mikroserwera środowisko uruchomieniowe JavaVM (Java Virtual Machine), w tym biblioteka java.net do obsługi warstwy gniazd protokołu TCP/IP [7], pozwoliły na realizację następujących protokołów warstwy aplikacyjnej:

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) [8],
DNS (Domain Name System) [9],
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) [10],
Telnet [11],
FTP (File Transfer Protocol) [12].

Rys. 4. Model TBM390 mikroserwera TINI z kontrolerem Ethernet. Źródło: [1]

Pomiędzy warstwą aplikacyjną a warstwą protokołów pośredniczy interfejs gniazd odwzorowujący zunifikowane żądania aplikacji na działania specyficzne dla implementacji protokołów transportowych (TCP, UDP). Poniżej warstwy sieci (IP) znajdują się programy komunikujące się z urządzeniami sieciowymi – kontrolerem Ethernet i pętlą zwrotną [7] lub z modemem – za pośrednictwem łącza szeregowego i protokołu PPP (Point-to-Point Protocol). Urządzeniem sieciowym wbudowanym w moduł mikroserwera TINI w wersji TBM390 (rys. 4) jest kontroler Ethernet pozwalający na bezpośrednie podłączenie modułu do sieci LAN (Local Area Network).

5. PODSUMOWANIE

Miniaturowe procesory stosu protokołów TCP/IP dostępne są jako elementy peryferyjne dla wbudowanych w urządzenia systemów mikroprocesorowych lub też stanowią stałe wyposażenie nowych platform mikroprocesorowych. Przykładem układu pełniącego funkcję peryferyjną jest przedstawiony wcześniej układ CoBox-Micro (rys. 3). Natomiast przedstawicielami układów z własnymi systemami operacyjnymi, oferującymi moc obliczeniową do realizacji zadań związanych z funkcjonowaniem urządzenia lub interakcją z użytkownikiem, są moduły: eZ80190 i TINI Board Model 390 (rys. 4). Wdrażanie tego typu układów w sektorze Consumer Electronics jest już technologicznie możliwe, ale będzie uzasadniane jeśli jednocześnie będą prowadzone prace nad internetowymi platformami sprzedaży i obsługi klienta dostępnymi nie jedynie poprzez przeglądarkę stron WWW, ale także w sposób zautomatyzowany z poziomu urządzeń powszechnego użytku. Rozwijająca się nowa technologia rozszerzająca zastosowanie Internetu wytycza nowe kierunki rozwoju dla nowoczesnej gospodarki, dążące do urzeczywistnienia futurystycznej wizji “inteligentnego domu”.

Arnold Adamczyk
Politechnika Gdańska

BIBLIOGRAFIA:

Tiny InterNet Interface (TINI) Home Page (Dallas Semiconductor, 2001): www.ibutton.com/TINI
Adamczyk A., Zielonko R.: BIST Oriented Method for Fault Diagnosis of Analogue and Mixed Signal Circuits. Metrologia i Systemy Pomiarowe, tom 7, nr 1/2000, str. 3-11.
Adamczyk A.: Taxonomical Built-In Fault Detector for Nonlinear Analog Circuits with Digital Testing Bus. TC-10 IMEKO Conference 1999, 22-24 september 1999, Wrocław, str. 68-73.
Java 2 Platform, Micro Edition – Home Page, java.sun.com/j2me/
eZ80190 – ZiLOG Embedded Webserver: www.ZiLOG.com
CoBox-Micro Home Page (Lantronix, 2001): www.lantronix.com/products/eds/coboxmicro
Stevens W. R., Wright G. R., Biblia TCP/IP – implementacje, Wydawnictwo RM, Warszawa 1998, str. 449-574.
Hypertext Transfer Protocol – HTTP/1.1, Request for Comments 2616, ftp.isi.edu/in-notes/rfc2616.txt
Domain Names – Implementation and Specification, Request for Comments 1035, ftp.isi.edu/in-notes/rfc1035.txt
Dynamic Host Configuration Protocol – DHCP, Request for Comments 2131, ftp.isi.edu/in-notes/rfc2131.txt
Telnet Protocol Specification, Request for Comments 854, ftp.isi.edu/in-notes/rfc854.txt
File Transfer Protocol – FTP, Request for Comments 959, ftp.isi.edu/in-notes/rfc959.txt

Nota dla bibliografii:

Adamczyk A.: Consumer Electronics – nowe wyzwanie dla Internetu.
Electronic Commerce – gospodarka XXI wieku,
Wyd. MKN E-C Politechnka Gdańska, Gdańsk 2001, str. 5-10.