Ледовая станция Линукс

Сатиш Четти описывает, как он разработал научную станцию ​​на базе Linux для измерения таяния морского льда в Арктике - и столкнулся с препятствиями в диапазоне температур от -40 ° C до белых медведей.

Разработка встроенной системы для удаленной работы в полевых условиях достаточно сложна, но что если вам пришлось бы бороться с температурами -40 ° C, сильными ветрами, кабелями в ледяной оболочке и атаками диких животных Арктики?
Это лишь некоторые из суровых реалий, с которыми сталкиваются разработчики сенсорного буя на основе Linux, развернутого на морском льду у северного побережья Аляски.


Сатиш Четти описывает проблемы накопления льда на кабелях на ELCE 2017.

(щелкните изображение, чтобы увеличить)

На недавней Европейской конференции по встраиваемым Linux- системам (ELCE) Сатиш Четти рассказал о своей работе добровольцев по созданию станции мониторинга морского льда, финансируемой Ice911 .
Основной целью является изучение изменений в образовании и таянии льда в результате глобального потепления.
Дневной работой Четти является вице-президент по разработке программного обеспечения в Hera Systems , стартапе в Силиконовой долине, который разрабатывает спутники для съемки Земли и решения для анализа кромок.

В основном автономный наблюдательный буй развивается с 2009 года. Посаженный в или около морского льда с ноября по июль каждый год, станция измеряет погоду, температуру воды, глубину воды (сонар), глубину и таяние льда, солнечный свет и альбедо (отражение солнечного света).
Камеры используются для визуального анализа.

Пользовательская многосенсорная температурная цепочка 1-Wire прикреплена к бую и встроена в лед, «с датчиками на каждой глубине, чтобы вы могли получить профиль толщины воды и льда», - сказал Четти.
«Там, где мы тестировали, большая часть расплава происходит снизу вверх, потому что талая вода стекает в воду, нагревая ее».


Крупный план станции (слева), и вот идет айтишник: охранник белого медведя

(нажмите на картинку, чтобы увеличить)

Как и подводная станция мониторинга ESP под управлением Linux, описанная Брентом Романом на презентации на прошлогодней конференции ELCE, арктический буй Chetty сильно ограничен по мощности.
Сайт находится недалеко от побережья Северного Ледовитого океана, около Барроу, самого северного города в Соединенных Штатах.
Место находится в темноте в течение 65 дней в году, и даже в теплое время года для увеличения количества солнечных батарей требуется батарея.

Четыре панели расположены под углом почти 90 градусов, чтобы отслеживать солнце, проходящее над горизонтом по кругу.
Эта конфигурация увеличивает воздействие сильных ветров, вызванных местоположением полуострова.
В результате команда Четти была вынуждена использовать небольшие панели мощностью 5-10 Вт, чтобы они не перевернулись.

Первоначально они использовали неперезаряжаемые литиевые батареи.
По разным причинам, в том числе из-за большей сложности замены, а также из-за нормативных проблем с транспортировкой батарей по воздуху, они переключились на банки аккумуляторов LiPo для смартфонов.
Разработчики и исследователи находятся вдали от Барроу, поэтому регулярное техническое обслуживание, как правило, выполняется вооруженными медвежьими охранниками, которые также сопровождают исследователей во время их посещения буя.

Беспроводные кабели

Наибольшее энергопотребление станции происходит от сотовых модемов, за которыми следуют несколько камер.
Станция в основном использует сотовый модем Huawei 3G стоимостью 50 долларов США для передачи данных на сервер архивации.
Чтобы избежать платы за услуги сотовой связи, команда первоначально начала настраивать ретрансляторы WiFi, но отказалась от проекта из-за сложности обслуживания.

Однако они добавили точку доступа WiFi, которая используется для связи на близком расстоянии с мобильными устройствами исследователей.
«Иногда 3G и спутниковые модемы выходят из строя, поэтому мы должны выйти и забрать SD-карту», ​​- пояснил Четти.
«Во время таяния буй окружен слякотной, опасной водой, поэтому нам пришлось положить доску, чтобы добраться до него.
Было тяжело тянуть SD-карту в перчатках, балансируя на доске.
Гораздо проще использовать WiFi ».

Четти и его команда выбрали WiFi по Bluetooth, чтобы облегчить одновременный доступ нескольких исследователей.
Тем не менее, WiFi добавил другие проблемы.
«Некоторым драйверам WiFi требуются другие сетевые драйверы, прежде чем вы сможете их скомпилировать, поэтому это увеличивает сложность и время загрузки, а также сжигает больше энергии», - сказал Четти.

Эффективность энергопотребления была основным фактором при проектировании системы, за которой следовали стоимость, размер и вес.
«Оборудование должно быть небольшим и достаточно легким, чтобы его можно было перевозить на квадроциклах или салазках, запряженных снегоходами, и поэтому его можно легко забросить в лодку в июле», - сказал Четти.
Система также была разработана таким образом, чтобы ее можно было быстро разобрать.
«Таяние льда происходит в течение одной недели, поэтому вы хотите быстро разобрать его», - сказал Четти.


Станция мониторинга (слева) и SBC Technologic TS-7400-v2 с USB-концентратором Belkin

(нажмите на картинку, чтобы увеличить)

Станция работает под управлением Linux на технологическом SBC TS-7400-v2, подключенном к USB-концентратору Belkin.
Команда Четти решила использовать более дешевую и более энергоэффективную систему на основе микроконтроллеров, но выбрала Linux по нескольким причинам.
Одним из них было то, что большинство датчиков, которые они хотели использовать, были недорогими стандартными устройствами с USB-драйверами.
«Вместо создания пользовательских печатных плат было проще использовать систему Linux и просто подключить датчики». Chetty разработала собственное ядро ​​для платы со стеком Debian, которое было обрезано для уменьшения ненужных пакетов.

Chetty похвалил TS-7400-v2 за цену в 150 долларов, работу без вентилятора, энергоэффективность и диапазон от -40 до 85ºC.
SoC i.MX286 на базе ARM9 может быть настроен на частоту 454 МГц для экономии потребления.
«SBC может работать на половину ватта, и он может работать при мощности от 8 до 24 В, что хорошо, потому что батарея не поддерживает постоянный заряд», - сказал Четти.
«Есть встроенный таймер отключения, который вы можете запрограммировать на отключение после выполнения задач, и мы можем включать и выключать периферийные устройства с помощью программного обеспечения».

Плата оснащена часами реального времени (RTC), но при очень низких температурах она замедляется, вызывая проблемы с синхронизацией времени.
«Каждые три или четыре дня мы делаем синхронизацию времени», - сказал Четти.
Первоначально разработчики выполняли удаленные обновления конфигурации с использованием ssh, но теперь они обновляются раз в год в течение лета.

Готовимся к холоду, льду и белым медведям

В отличие от большинства промышленных систем, станция регулярно испытывает температуру -40ºC.
По словам Четти, SBC отлично работает при -40ºC, как и веб-камеры Logitech, подключенные к USB, за 75 долларов.
«Наш 3G модем рассчитан только на -20ºC», - добавил он.
«Ниже, чем это все еще соединяет, но это иногда разрывает соединения во время рукопожатий». В этом случае данные датчика сохраняются на SD-карте.

Накопление льда оказалось более сложной задачей, чем низкие температуры.
Например, камеры Logitech размещены в ящике для рыболовных приманок, который предотвращает накопление льда, но при этом позволяет сосулькам выходить в вид выреза камеры.
Когда камеры захватили кадры из видео, они сфокусировались на сосульках, а не на ландшафте.

Решение Chetty состояло в том, чтобы запустить захват видео в течение 3-5 секунд, прежде чем делать снимок, давая камере время для перефокусировки.
Затем система может идентифицировать хорошие кадры для сохранения, а оставшиеся видео сбрасывать для экономии места на диске.
«Компилировать это на уровне ядра было важно», - сказал Четти.

Накопление льда и инея на кабелях и датчиках представляло большую проблему.
«После каждой метели на датчике гидролокатора так много льда, что мы продолжали получать неверные показания», - сказал Четти.
«Некоторое время мы отправляли людей откалывать лед, но это случалось так часто, что мы решили сменить датчик.
Тот факт, что температура рассчитана, не означает, что она может справиться с любой ситуацией.
При температуре -40ºC кабели обертываются льдом и могут стать хрупкими, а если вы нажмете на них, вы можете их сломать.
Лед мешает открыть коробку, чтобы починить вещи.
Однажды мы сломали контакты платы и разрушили эксперимент.
Мы не можем забрать все это обратно в лабораторию, чтобы починить, потому что датчики встроены в лед.
Для нашей следующей версии мы поместим разъемы снаружи вместо прокладки кабелей внутри ».

Если всего этого было недостаточно, существуют также нападения животных.
«Однажды лиса пожевала наши датчики, поэтому мы надели на них колпачок», - сказал Четти.
«Мы думаем, что белый медведь наступил на одну из рук и сломал некоторые другие датчики.
Когда мы видим, что данные датчиков ведут себя странно, мы знаем, что что-то произошло ».

Вы можете посмотреть всю презентацию на YouTube ниже:

«Linux Powered Автономный арктический буй»

Эта статья защищена авторским правом © 2017 Linux.com и была первоначально опубликована здесь .
Он был воспроизведен этим сайтом с разрешения его владельца.
Пожалуйста, посетите Linux.com для получения последних новостей и статей о Linux и open source.