fernsteuerung: internet am beispiel internet modellbahn konrad froitzheim, tu freiberg, germany
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Fernsteuerung: Internet
am Beispiel Internet Modellbahn
Konrad Froitzheim, TU Freiberg, Germanyfrz@tu-freiberg.de
• Internet Modellbahn• Grundlagen: Motorsteuerung• Steuerprogramm• Videoübertragung im Internet/T
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im /Internet Modellbahn/Vorführung
http://rr.informatik.tu-freiberg.de
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im /Internet Modellbahn/Einzelteile
• Modellbahnanlage– digital gesteuert
• Steuercomputer– Kommandos an Modellbahn– Zusammenstöße verhindern
• Videocomputer• Internetanschluss
– Daten in Paketen• Browser
– Anzeige des Steuerpultes– Video zeigen– Eingabe von Aufgaben
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im /Grundlagen/Elektromotor
• Stromquelle– Batterie, Netzteil, Trafo, …
• Magnet– festes Magnetfeld (Nordpol, Südpol)– Anziehung: N-S– Abstoßung: N-N, S-S
• Spule: Elektromagnet– Strom fließt durch die Spule– Magnetfeld entsteht– Abstoßung/Anziehung mit Magnetfeld der Spule
Bilder: Wikipedia
N S
N S
N S
NS
NS S NSpannung
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im /Grundlagen/Analoge Motorsteuerung
• Elektrizität– Spannung [Volt]– Strom [Ampere]
• Spannung steuert Drehzahl– Stellknopf am Trafo
• Fahrtrichtung– Pole vertauschen– Positive Spannung => vorwärts– Negative Spannung => rückwärts
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Spannung
schnell
langsam
stop
Zeit0
Spannung
rückwärts
vorwärts
stop
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im /Grundlagen/Digitale Motorsteuerung
• Digitale Computer – geben direkt 0 und 1 aus– nur null Spannung oder volle Spannung– also keine genaue Spannungsregelung– andere Größen (0,12; 0,73 …) müssen simuliert werden
• Pulsbreitensteuerung– AN AUS ... in schneller Folge– Trägheit des Motors gleicht Impulse aus– 1 = AN = 18V; 0 = AUS = 0V– Verhältnis AN/AUS bestimmt Spannung– 1:1 => 9V, 1:2 => 6V
• Richtungssteuerung – negative und positive Spannung wechseln ab– Verhältnis + und -
Zeit0
1Spannung
Zeit0
1Spannung
Zeit0+Spannung-
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im /Gerätesteuerung/Computer in jedem Gerät
• Steuercomputer in jeder Lok– Motorsteuerung mit Pulsbreitensteuerung– Lampen ein/aus– Hupe?
• Kommandos empfangen– Fahrtrichtung– Geschwindigkeit regeln– weitere Funktionen ein/aus
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PWM
Verstärker
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im /Gerätesteuerung/Kommandopakete
• Kommando-Pakete auf der Schiene– Adresse der Lok (0 bis 80)– Werte für Geschwindigkeit (0 bis 15)– Bsp: Lok 19, Licht an, Geschw. 12
• Pakete werden im Computer zusammengestellt– aus Bits (0 oder 1)– Adresse 19 (11001000)– Funktion ein (11)– Geschwindigkeit 12 (00001111)– Paket:110010001100001111
• Alle Loks empfangen Pakete– Adresse im Paket = eigene Adresse?– Nein? Nichts ändern– Ja? Dann Licht an und Motorspannung auf 12 regeln
• Ähnliche Ideen im Ethernet / LAN– Pakete, Adressen, verteilte Verarbeitung
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im /Gerätesteuerung/Rückmeldung
• Anlage ungenau– Loks verschieden schnell– Weichen schalten nicht immer– Zug am Ziel?
• Messfühler– durch Lok ausgelöst– Signal 1: Lok da, 0: keine Lok– Spezialschiene mit 2 Kontakten– 2 Kontakte: Fahrtrichtung
• Steuercomputer fragt Kontakte ab– 144 auf der Anlage– Bsp: Kontakt 17 => Lok fährt auf Gleis 8– welche Lok?– Programm kennt fahrende Loks– Programm schätzt Position
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im /Gerätesteuerung/Logik
• Fahraufträge aus dem Internet– Browser: Gleisplan und Standorte– Auftrag: Zug B nach Station 2– Berechnung der Fahrtroute
• Fahrt steuern– Fahrbefehl an Lok => Zug fährt– Kontakte überprüfen– Haltebefehl an Lok
• Mehrere Züge auf der Anlage– gleichzeitig fahren– Zusammenstoß an Weichen?
• Unfälle verhindern– steht auf dem Weg ein Zug?– kreuzt der Zug einen anderen Zug?– Fehler erkennen und beheben
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im /Grundlagen/Video
• Aufnahme– Kamera– Beleuchtung kritisch
• Digitalisierung– Sensor (CCD) mit hoher Auflösung (Punkte) [Pixel]– 8 Bit jeweils für Rot, Grün und Blau– TV Bild ~ 10 Millionen Bits
• Auch Video ist digital– viele Bilder werden ganz kurz gezeigt: 25 Bilder/s– pro Sekunde 250 Millionen Bit = 250 Mbit/s– DSL-Anschluss heute nur 16 Mbit/s
• Kompression– Überflüssiges weglassen– Details weglassen– JPEG, MPEG, DivX, …
Pixel
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im /Internet/Video
• WebCam– Videokamera– Digitalisierung– Kompression– Verpacken in Internet-Pakete
• Viele Zuschauer in der ganzen Welt– langsame und schnelle Internetanschlüsse– pro Zuschauer ein Videostrom– viel Rechenleistung für Kompression
• CESC [Wolf, Froitzheim]– Video-Bausteine vorkomprimieren– individuell zusammenpacken– jeder Zuschauer bekommt das Bestmögliche
componentencoder
filterΔΔCTLZWHuffQuantWavelet Δ-GIF coderHTTPTP estimatorMPEG coderHTTPTP estimatorΔ-JPEG coderHTTPTP estimatorH.261 coderHTTPTP estimatorstreamcoder
Δ-GIF coderHTTPTP estimator
streamcoderstreamcoderstreamcoderstreamcoder
shared memory
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im /Internetfernsteuerung/Anwendungen• Haussteuerung
– Heizung, Backofen, Waschmaschine, …– Videorekorder– aus Wohnzimmer, Büro, Urlaub
• Industrieanlagen• Roboter• Gemeinsamkeiten
– Motoren, Ventile, Heizelemente, …– Messwerte– Rückmeldung: Video, Audio, …
• Beispiel Internetmodellbahn– ca. 2 Millionen Besucher in 10 Jahren– Steuerprogramm, Webserver– WebCam-Software– Studentenprojekte Network Computing
• http://rr.informatik.tu-freiberg.de
ServerVideoserver
Webserver
Datenbank
Kontroll-programm
Interface
Interface
Gerät/Anlage
Internet
WWWWWW
WWW
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