Raspberry Pi alapú adatgyűjtő

Használati mintaoltalom kérvényezve a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatalánál 2025.10.14-én.

Alacsony fogyasztású, moduláris felépítésű és autonóm működésű Raspberry Pi alapú adatgyűjtő

Raspberry Pi alapú autonóm, moduláris felépítésű mérésvezérlő- és adatgyűjtő-rendszer, amely minimális infrastruktúra mellett képes működni kiépített internet kapcsolat és hálózati áramellátás, valamint a telephely gyakori látogathatósága hiányában is, akkumulátoros vagy napelemes áramellátással. A platformon futó linux operációs rendszer rugalmas programozhatóságot és nagyfokú rendszer-integritást biztosít. Így a szenzorok mérésvezérlése teljesen a felhasználó igényei szerint, közvetlenül a felhasználó által alakítható ki. Mivel a rendszer maga egy teljes értékű számítógép is, nem csak adatrögzítés, de előfeldolgozás, megjelenítés és adatátvitel is tetszés szerint megvalósítható. A rendszer moduláris felépítése nagyfokú bővíthetőséget biztosít a funkcionalitás szempontjából. A mérés állapotát távolról nyomon lehet követni, probléma esetén az adatgyűjtő távolról is elérhető, a mérési adatokat mobilinterneten keresztül továbbítani tudja egy adatközpontba.

Az adatgyűjtő-rendszer első változata a Lippmann-féle dőlésmérő vezérléséhez

Az adatgyűjtő-rendszer második változata a LEMI magnetométer vezérléséhez

Az adatgyűjtő-rendszer első változata működés közben a brennbergbányai mérőállomáson

Terepi használatra szabott jellemzők

Egyes terepi körülmények között végrehajtandó, folyamatos mérések végzéséhez szükség van minimális infrastruktúra mellett működtethető autonóm adatgyűjtőre, amely a szenzorok szolgáltatta adatokat ideiglenesen tárolják, illetve bizonyos gyakorisággal adatközpontokba továbbítják. A földtudományi kutatások során gyakran előfordul, hogy a mérési helyen nincs kiépített áram és internet, és nincs lehetőség a hely gyakori felkeresésére és a mérési adatok letöltésére. Ebben az esetben ún. munka akkumulátorról hosszabb ideig (akár egy hónap) működtetni kell tudni egy minimális fogyasztású mikroszámítógépet, ami az analóg vagy digitális jelet szolgáltató műszerről azt az igényeknek megfelelő gyakorisággal kiolvassa és digitalizálva eltárolja, illetve megfelelő mobil hálózati lefedettség esetén mobilinterneten keresztül továbbítani tudja egy adatközpontba. Ha egy ilyen mérési állomásnak a távoli hozzáférése igen korlátozott, akkor elemi fontosságú, hogy rendszeres időközönként állapotüzeneteket tudjon küldeni az adatgyűjtő, hogy működési állapotát a felhasználó nyomon követhesse, és szükség esetén távolról be tudjon avatkozni (pl. parancsüzenetek segítségével). Alkalmas helyszínen napelemet lehet alkalmazni az akkumulátor töltésére, hogy minimalizálni lehessen a szükséges akkumulátor cserék számát. Az akkumulátor cserék alatti adatgyűjtés folytonosságát a tápáram ellátási rendszerbe integrált áramkörökön keresztül csatlakoztatott segédakkumulátor biztosítja. Így a rendszert nem kell leállítani a csere idejére.

Flexibilitás, költséghatékony és autonóm működés

A kereskedelemben kapható és nehéz terepi körülmények között is alkalmazható adatgyűjtők drágák és sok esetben valamilyen vonatkozásban (pl. adatgyűjtés sebessége vagy formátuma) korlátozzák a felhasználhatóságot. Az előbbi negatívan hat a kutatási projektek költségvetésére az utóbbi pedig esetenként annak szakmai eredményeire is.

A feladat megoldására egy költséghatékony, Raspberry Pi technológiára alapozva összeállított, moduláris, tetszőlegesen bővíthető adatgyűjtőt fejlesztettünk ki. A rendszer távoli felügyelete és az adatok továbbítása az adatközpont felé GSM modullal megoldott. SMS-ben állapotüzeneteket küldhet az adatgyűjtő, illetve SMS-ben parancsokat is tud fogadni (pl. újraindítás). Ha megfelelő a térerő, akkor a mobilinternet is jól kihasználható távoli eléréshez és adatok továbbításához. A pontos idő meghatározásához lehet használni GPS-vevőt, egyéb esetben mobilinterneten keresztül NTP-vel (Network Time Protocol) lehet az adatgyűjtő órájának idejét az UTC (koordinált világidő) rendszerhez szinkronizálni. A rendszerben az energiafelhasználás minimalizálására alacsony fogyasztású Raspberry Pi alaplap, bővítő modulok és alkatrészek kerültek felhasználásra. Olyan programozási és időzítési eljárásokat alkalmaztunk, melyek révén energia takarítható meg, ha a GPS és a GSM modulok csak akkor vannak bekapcsolva, amikor használatuk éppen szükséges. A műszerekről az adatok lekérdezése történhet soros (RS232) porton keresztül, de más adatátviteli mód alkalmazását is lehetővé tettük pl. analóg-digitális (A/D) átalakító integrálásával.

Motiváció és fejlesztési fázisok

Az adatgyűjtő rendszer létrehozását az indította el, hogy a soproni HUN-REN FI Geodézia Kutatási Egysége még 2020-ban, akkor még az ELKH intézeteként, az ELKH-tól infrastruktúra fejlesztési támogatást kapott 4 db nagyérzékenységű Lippmann-féle 2D dőlésmérő (Lippmann Gmbh, Németország) beszerzésére és egy mérési hálózat kialakítására, szeizmo-tektonikus eredetű deformációs folyamatok megfigyelése céljából (ld. kepujsag.ggki.hu). A mérésekhez szükséges rendkívül stabil környezet kizárólag földalatti létesítményekben biztosítható, amelyek esetében előfordul, hogy a szokásos irodai környezethez optimalizált IT eszközök és adatátviteli eljárások nem alkalmazhatók. A dőlésmérő műszerhez egy alkalmas adatgyűjtő megvételét már nem tudta volna a projekt finanszírozni, viszont a rendelkezésre álló költségvetésből sikerült megvalósítani egy az igényeknek megfelelőt.

Az adatgyűjtőnek jelenleg nanoradián érzékenységű 2D dőlésmérő (Lippmann HRTM) és a geomágneses tér mérésére szolgáló fluxgate magnetométer (LEMI-011B) csatlakoztatására és mérésvezérlésére előkészített és a megfelelő interfészekkel szerelt változatai készültek el. Mindkét verzió esetén egy 4 soros LCD kijelző és egy nyomógomb segítségével néhány alapvető, előre programozott művelet és konfigurációs beállítás elvégezhető monitor és billentyűzet csatlakoztatása nélkül is. A pillanatnyi mérési adatok microSD kártyára rögzíthetők, illetve külső adathordozóra letölthetők. Egy HDMI csatlakozón keresztül monitor, egy USB csatlakozón keresztül pedig további adathordozó (pl. pendrive) vagy egyéb USB eszköz csatlakoztatható. A koaxiális csatlakozók biztosítják, hogy szükség esetén külső, megfelelő jelerősséget biztosító helyen felállított GSM/LTE és GPS/GNSS antennákat lehessen alkalmazni a GSM adatátvitelhez illetve a GPS időjelek vételén alapuló óraszinkronizáláshoz. Ez különösen fontos olyan esetekben, amikor a mérőrendszert olyan földalatti objektumokban kell működtetni, ahová a mikrohullámok már nem hatolnak be és nincsen kiépített internet elérési lehetőség. A földtudományok területén elsősorban a barlangokban, felhagyott bányák vágataiban, alagutakban végzett mérések során állhat elő ilyen helyzet.

A készülék háza, amely a villamossági technikában használatos műanyag szerelődoboz, bizonyos szintig por- és vízálló. Az adatgyűjtő jelenleg prototípus fejlettségi szinten van.

Mivel az adatgyűjtő egy komplett, ún. Raspbian linux operációs rendszerű számítógép, a felhasználó tetszés szerint, a célnak megfelelően fejlesztheti, testre szabhatja a mérőrendszer működtetéséhez, az adatátvitel vezérléséhez és az adatok előzetes feldolgozásához szükséges szoftvereket. Ezekhez a feladatokhoz különböző programnyelvek (pl. Python, C++, FreeBasic, Fortran) állnak rendelkezésre, biztosítva ezzel a legnagyobb mértékű flexibilitást a programozhatóságban és végső soron az alkalmazhatóságban. A Lippmann-féle dőlésmérőkhöz az adatgyűjtő és mérésvezérlő programon kívül időzített adatátvitelt és –megjelenítést végző kód is készült.

A mai IT technológia lehetővé teszi azt is, hogy kis méretű, hordozható és önálló akkumulátorral rendelkező monitor és billentyűzet segítségével a mérés helyszínén is teljes értékű számítógépként funkcionáljon a rendszer szükség esetén.

Az adatgyűjtő különböző verzióit Szabó Csongor (IT szakalkalmazott) és Molnár Tibor (villamosmérnök szakalkalmazott), a soproni FI munkatársai, tervezték meg, készítették el, konfigurálták és tesztelték Dr. Papp Gábor (FI Geodézia KE) és Dr. Lemperger István (FI ZBL) igényei és útmutatásai szerint. Dr. Papp Gábor készítette a Lippmann-féle dőlésmérőhöz szükséges mérésvezérlő és adatgyűjtő, valamint az adattovábbító és –megjelenítő programokat.