Proiectarea sistemului informațional și de calcul pentru telemetrie

Această lucrare a fost verificată de profesorul nostru: 17.01.2026 la 15:48

Tipul sarcinii: Cunoștințe specializate

Adăugat: 17.01.2026 la 15:06

Elaborarea Construcției Sistemului informațional și de Calcul pentru Achiziția și Prelucrarea Informației Telemetrice

I. Introducere

Într-o societate aflată în permanentă transformare digitală, achiziția și prelucrarea informației telemetrice devin elemente esențiale pentru o multitudine de ramuri industriale: de la energetică — gândindu-ne la monitorizarea automată a rețelelor electrice —, la domeniul transporturilor (cum ar fi automotive-ul), până la aplicații critice în aerospațial sau sisteme de monitorizare industrială. Odată cu proliferarea Internetului Lucrurilor (IoT), ne confruntăm cu un volum de date fără precedent, iar un rol crucial în gestionarea acestora revine sistemului informațional și de calcul.

Construcția unui astfel de sistem presupune integrarea armonioasă a elementelor hardware și software, capabile să colecteze datele de la o pleiadă de senzori, să le valideze, să le proceseze în timp real și să le pună la dispoziție pentru analiză, totul în condiții de performanță și fiabilitate ridicate. Provocările nu sunt de neglijat: de la varietatea și specificul semnalelor până la constrângerile impuse de medii ostile (zgomot electric, vibrații, temperaturi extreme).

Scopul acestui eseu este să prezinte pașii necesari pentru elaborarea sistemului informațional și de calcul destinat achiziției și prelucrării datelor telemetrice, cu referințe la contextul tehnologic, dar și la experiența acumulată în România, fie în industrie, fie în diverse proiecte universitare. Lucrarea va fi structurată pe secțiuni care acoperă analiza cerințelor tehnice, arhitectura sistemului, detaliile hardware și software, strategiile de testare, fiabilitatea, considerentele economice și exemple practice, urmate de concluzii și recomandări.

II. Analiza cerințelor tehnice și a constrângerilor

Elaborarea unui sistem solid începe inevitabil cu identificarea cerințelor — funcționale și non-funcționale. În cazul unor aplicații precum monitorizarea vibrațiilor la o turbină eoliană din Dobrogea sau supravegherea parametrilor de mediu într-un combinat chimic, avem nevoie de achiziție multicanal, prelucrare locală și stocare temporară pentru date critice.

Funcțional, sistemul trebuie să colecteze semnale de la senzori variind de la termocuple la encodere de rotație, să le filtreze, să asigure conversia lor în format digital, să stocheze informațiile și să faciliteze comunicarea datelor. Non-funcțional, este vitală asigurarea unui timp de răspuns redus, a unei rate mici de erori (pachete pierdute sub 0,1% la test de stres), securitate împotriva accesului neautorizat, un consum energetic optimizat (mai ales pentru stațiile izolate), dar și respectarea legislației UE cu privire la compatibilitate electromagnetică sau protecția mediului.

KPI-urile trebuie să fie bine definite încă din faza de proiectare: de exemplu, un sistem de achiziție vibrațional trebuie să păstreze un SNR de minimum 60 dB, să aibă o abatere de sincronizare între canale sub 5 µs și să suporte temperaturi de operare între –20 și +60°C.

III. Arhitectura generală a sistemului

Un principiu larg folosit (și recomandat în proiectarea hardware-ului românesc încă din manualele profesorului Tiberiu Mureșan) este modularitatea. Astfel, arhitectura sistemului pornește de la front-end-ul de captare analogică, urmat de conversia analog-digitală (ADC), un nucleu de prelucrare (MCU sau FPGA), stocare intermediară și componentele de comunicații.

O arhitectură distribuită (mult mai scalabilă și tolerantă la erori) implică mai multe noduri locale de achiziție interconectate (de exemplu, pe CAN bus sau Ethernet industrial), față de o arhitectură centralizată cu fir lung (care poate fi mai ieftină, dar devine o problemă la distanțe mari sau la expunere electromagnetică). Fluxul de date va traversa etape precum amplificare, filtrare antialias, conversie, bufferizare, procesare și, eventual, comprimare înainte de transmitere sau stocare. Într-un laborator, interfața cu calculatorul (prin USB sau Ethernet) permite analiza rapidă și diagnosticarea eventualelor defecțiuni.

IV. Subsistem hardware — front-end și achiziție

Alegerea corectă a senzorilor dictează atât acuratețea măsurătorilor, cât și complexitatea lanțului de prelucrare. Pentru măsurători precise de temperatură se preferă termocuplurile de tip K (cu interfațare diferențială), iar pentru deformații structurale — extensometrii (strain gauges) cu punte Wheatstone. Comunicarea cu senzori digitali se face uzual prin protocoale precum I2C (în automatizări industriale, un exemplu frecvent îl reprezintă LM75 pentru temperatură) sau SPI.

Pentru asigurarea unei fidelități ridicate, este imperativă condiționarea semnalului (prin amplificatoare de instrumentație, circuite de protecție contra supratensiunii — TVS, diodă de clamp, fuzibile resetabile) și filtrarea anti-aliasing (filtre Butterworth de ordin doi sau trei la o frecvență de tăiere la maximum 45% din Fs-ul ADC-ului).

La selecția ADC-ului, în laborator, pentru achiziția multicanal rapidă se recomandă SAR-uri de 12 sau 16 bit (TI ADS1115 sau AD7606), pe când pentru măsurători de precizie scăzută, la viteză mare, pipeline ADC-urile sunt potrivite; pentru achiziție de înaltă rezoluție și viteză joasă, delta-sigma cu 24 de biți (precum AD7799). Sincronizarea perfectă se face cu ajutorul ceasurilor cristalizate – TCXO – și buffer-elor FIFO pentru a evita pierderi.

Gestionarea alimentării presupune alegerea surselor SMPS (pentru randament) combinate cu LDO-uri (pentru liniaritate la circuitele analogice); se impune decuplarea completă a liniilor de alimentare și considerarea disipării termice, în special când într-un dulap de control există zeci de module pe șină DIN.

V. Subsystem hardware — calcul și control

Nucleul de procesare e ales după cerințele aplicației: pentru implementări ieftine, un STM32 (ARM Cortex-M) sau PIC32 poate fi folosit pentru control, filtrare de bază și comunicare serială. În schimb, pentru procesare masivă paralelă (imaginează-ți zeci de canale de vibrații dintr-o hidrocentrală), este necesar un FPGA (Xilinx, Altera), unde logica poate fi configurată dinamic.

Firmware-ul se organizează pe multitasking: rutine de achiziție (ISR-uri rapide), task-uri pentru prelucrare, blocuri dedicate pentru comunicații (inclusiv managementul debitelor cu DMA). Mecanisme de protecție sunt esențiale: watchdog hardware pentru recuperare la erori, ECC pentru memoria RAM, logare persistentă a evenimentelor.

Actualizările de firmware se fac de preferat cu bootloader semnat digital, cu posibilitate de rollback (schema A/B), iar la sistemele moderne se poate implementa actualizarea OTA — deja uzuală în smart metering-ul urban din Cluj sau București.

VI. Software și procesarea datelor

Software-ul este stratificat: firmware low-level, driveri pentru senzori, servicii pentru prelucrarea semnalului (amintim aici implementarea filtrelor FIR pe arhitectura ARM M4, folosită și la Laboratorul de Sisteme de Măsurare de la UTCN sau Politehnica București), și la final, aplicația (interfață cu operatorul sau backend pentru încărcare în cloud).

Preprocesarea datelor impune filtrare digitală adaptată (IIR sau FIR pe ferestre mobile), detecție de anomalii (folosind praguri sau algoritmi ML simpli, de tip K-means pentru gruparea tendințelor suspecte), transformate (FFT pentru spectrul de vibrații, RMS pentru energie). Stocarea eficientă cere formate binare compacte, cu timestamp-uri locale sau sincronizate (cu NTP sau GPS în aplicații de monitorizare industrială la distanță), iar gestionarea metadatelor este vitală pentru trasabilitate (de exemplu, identificator unic de senzor, versiune de calibrare).

VII. Interfețe și protocoale de comunicație

În funcție de aplicație, interconectarea modulelor se poate face: local (cu SPI sau I2C pentru module pe PCB, UART pentru cabluri scurte), industrial (CANopen pentru automotive și utilaje), sau rețea (Ethernet, cu suport TCP/IP sau, pentru IoT, cu MQTT/CoAP). Pentru siguranță se folosesc protocoale cu redundanță la transmisie (structuri de pachet cu CRC și retry automat) și criptare la nivel de transport (TLS — similar cu ce se utilizează pentru smart grid). Standardizarea pe OPC-UA sau MODBUS-RS485 permite integrarea în SCADA.

VIII. Verificare, calibrare și testare

Testarea este de regulă pe mai multe niveluri: unit testing hardware (testarea fiecărei intrări/ieșiri), testare integrată (funcționarea întregului lanț), dar și în teren — de exemplu, instalarea unui sistem de diagnostic la Hidroelectrica, pe care l-am urmărit în practica de vară. Calibrarea se face linear, cu surse certificate de referință (multimeter Fluke, calibrator WIKA), cu înregistrare automată a valorilor într-un fișier, calcularea coeficienților și scrierea în EEPROM. Sunt obligatorii testele de zgomot, răspuns în frecvență, stres pe termen lung și verificări ale rezistenței la erori de transmisie (BERT).

IX. Fiabilitate, protecție și siguranță

Evaluarea fiabilității începe prin consultarea datelor MTBF din fișele tehnice (de pildă, la constucția unui sistem de monitorizare la CNAIR, elementele de conectică MINITECH pentru temperatură garantau peste 100.000 ore timp mediu la defectare). Redundanța pe circuitele critice este recomandată (ADC dublu sau alimentare secundară), izolarea galvanică pe semnalele de putere, carcasă IP65 în medii cu umezeală sau praf.

Protecția operatorului este esențială — manuale cu instrucțiuni clare, semnalizare vizuală, proceduri de deconectare. Securitatea funcțională impune audit electronic al accesului și monitorizarea integrității firmware-ului.

X. Considerații industriale și economice

Un sistem performant trebuie să fie și economic viabil. Lista de materiale (BOM) este întocmită detaliat: senzori, ADC, procesor, PCB, carcasă, conectori, etc. Se recomandă includerea a 5–10% componente alternative pentru a evita criza livrărilor (problema acută din pandemie), precum și negocieri cu furnizorii pe baza volumului și a termenului de livrare. Costul total de folosire (TCO) trebuie analizat, adică nu doar costul inițial, ci și întreținerea, calibrarea periodică, consumul energetic, upgradările de firmware sau licențele software.

XI. Implementare, montaj și operare

Asamblarea presupune respectarea layout-ului PCB (separarea clară între zonele analogice și digitale, trasee scurte pentru semnalele fragile, planuri de masă corecte), montaj cu inspecție vizuală/automatizată și testare post-producție. În teren, montajul presupune configurare inițială (prin interfață dedicată sau serială), verificare cu senzori reali, monitorizare a parametrilor interni (stare alimentare, temperatură, memorie). Pentru mentenanță, un canal de telemetrie internă permite diagnosticarea la distanță și planificarea calibărilor.

XII. Documentație și livrabile

Documentația este adesea subestimată — totuși, fără scheme electrice clare, desen 3D al carcasei, listă BOM, ghid de utilizare și proceduri de testare, întreținerea sau extinderea devin imposibile. Este utilă și redactarea unei fișe tehnice pentru fiecare modul (specifiții electrice, conectică, temperatură de operare), indispensabilă la omologare sau service.

XIII. Exemplu practic: Telemetrie pentru o turbină eoliană

Un proiect real implementat la Universitatea „Dunărea de Jos” din Galați implică monitorizarea vibrațiilor la turbinele eoliene. Senzorii piezoelectrici colectează date, acestea sunt filtrate și convertite prin ADC de 16 bit, transmise spre un MCU STM32 și apoi trimise în cloud pe bază de MQTT, cu analiză FFT pentru identificarea dezechilibrelor. Soluția a permis predictibilitatea mentenanței, reducând costurile și evitând avarii.

XIV. Concluzii și recomandări finale

Elaborarea unui sistem robust pentru achiziția și prelucrarea informațiilor telemetrice cere atenție la detalii: de la alegerea componentelor, la modularitatea arhitecturală, protecția electrică, strategii de redundanță și documentare corectă. Pentru studenți, recomand începerea proiectului cu un prototip simplu: un senzor, un ADC dedicat, o interfață minimă cu PC-ul și implementarea treptată a funcțiilor avansate. Este importantă testarea automată, validarea consistentă a datelor, dar și publicarea clară a documentației. În perspectivă, se poate explora integrarea algoritmilor de inteligență artificială pentru detecția rapidă a anomaliilor sau standardizarea interfețelor pentru interoperabilitate avansată.

Literatura tehnică, fișele de date, experiențele industriale românești dar și practica dobândită în laboratoarele universitare, toate converg spre ideea fundamentală a unui sistem telemetric performant: flexibilitate, fiabilitate și o proiectare atentă, în acord cu contextul specific aplicării acestuia.

Scrie în locul meu un material de specialitate

Tagi: