سخنرانی مهندس عليرضا مولايينژاد
هدايت، اتوماسيون و انتقال دادهها در تجهيزات رصدخانهاي
عليرضا مولايي نژاد
گروه فيزيك- دانشکده علوم - دانشگاه زنجان
پژوهشگاه رصدخانه ملي ايران
سيستمهاي اتوماسيون و كنترل تجهيزات نجومي به عنوان نقطه تلاقي تكنولوژيهاي پيشرفته ارتباطي با دانش نجوم، در حال حاضر جزو لاينفك هر برنامه تحقيقاتي و پژوهشي رصدي است. رشد روز افزون گرايش به سيستمهاي اتوماسيون رصدخانهاي را ميتوان در گرو دو امر دانست:.
يكي رشد روز افزون منجمهاي آماتور-حرفهاي (Serious Astronomers) است كه غالبا با وجود تحصيل و تخصص در ساير رشتههاي علمي، نجوم را به عنوان فعاليت اصلي خود انتخاب مينمايند و با وارد نمودن تجارب خود در رشتهاي كه در آن تحصيل نمودهاند (مثلا الكترونيك و يا مخابرات و يا مكانيك و ...) به فعاليتهاي نجومي خود، نقش بسيار تاثيرگذاري در رشد فناوريهاي مدرن اتوماسيون رصدخانهاي (غالبا در رصدخانههاي آماتوري) داشتهاند. و ديگري ارتباط تنگاتنگي است كه در سالهاي اخير به يمن پيشرفتهاي عظيمي كه در عرصه فناوريهاي شبكه در ميان منجمين سراسر دنيا پديد آمده است.
سالهاست كه منجمين به دور از مسائل حاشيهاي كه در دوران جنگ سرد مطرح بود، دانش، تجهيزات، دادهها و ... خود را در اختيار يكديگر گذاشته و بخش عمدهاي از پروژههاي رصدي به صورت Online و با حضور چندين پايگاه و رصدخانه در سراسر دنيا و به طور همزمان صورت ميگيرد. ديگر رصدخانهها، مراكز تحقيقاتي مستقل و جدا از يكديگر نيستند و اين مراكز، بدون در نظر گرفتن فاصلههاي مكاني و جغرافيايي كاربران، در هر منطقه از جهان كه داراي شرايط رصدي مناسبتري است ساخته شده و كاربران از هر نقطه دنيا، بدون نياز به حضور در آن مركز به سادگي پروژههاي رصدي خود را به انجام ميرسانند. اهميت چنين دستاوردهايي در رشد علم نجوم، مراكز تحقيقاتي نجومي را بر آن داشته كه در كنار طرحهاي تحقيقاتي خود، بحث اتوماسيون و سيستمهاي پيشرفته انتقال دادهها را به طور جدي پيگيري نمايند.
استاندار جهاني سيستمهاي اتوماسيون رصدخانهاي و انتقال دادهها
سيستمهاي اتوماسيون رصدخانهاي (به ويژه به شكل حرفهاي آن) به سيستمهاي اتلاق ميشود كه به صورت Online و يا از پيش برنامهريزي شده، كليه امور مرتبط با دادهگيريهاي نجومي و كنترل فاكتورهاي محيطي دخيل در برنامه رصدي، كنترل ابزار مربوطه و انتقال دادهها را به عهده گيرد و ضمن قابليت نظارت بر نحوه اجراي امور، تواناي ارائه گزارش لحظه به لحظه از تمام جزئيات تحت كنترل را داشته باشد.
بر طبق استاندارپذيرفته شده از سوي اتحاديه بينالمللي نجوم (IAU)، سيستمهاي اتوماسيون و انتقال دادههاي رصدخانهاي در 5 كلاس مختلف درجه بندي شدهاند:
· كلاس 1: محلي (Local) تجهيزات اوليه شامل تلسكوپ و دوربينهاي آشكار ساز، در يك رصدخانه يا كمپ نجومي به طور مستقيم به رايانه در همان محل استقرار تجهيزات متصل هستند و رايانه در فاصله فيزيكي كمي از تجهيزات در مكاني با شرايط فيزيكي بهتر (warm room) است.
· كلاس 2: كنترل از راه دور با حضور مراقب در محل تجهيزات (Remote Attended) تجهيزات به رايانه در همان محل استقرار تجهيزات متصل است و كاربر از راه دور با رايانه خود از طريق شبکه محلي و يا اينترنت، قادر به برقراري ارتباط با رايانه كنترل كننده تجهيزات خواهد بود. تكنسين و يا اپراتور رصدخانه در محل رصدخانه حاضر است و كنترل فاكتورهاي محيطي و نظارت بر نحوه عملكرد آنها را به عهده دارد.
· كلاس 3: كنترل از راه دور و خودكار بدون حضور مراقب در محل تجهيزات(Remote Unattended) كاربر از راه دور با رايانه خود از طريق شبکه محلي و يا اينترنت، قادر به كنترل تجهيزات خواهد بود. هيچ تكنسيني در محل رصدخانه حضور ندارد و نظارت بر فاكتورهاي محيطي و نحوه كار تجهيزات از راه دور انجام ميشود.
· كلاس 4: كنترل از راه دور و سيستم خودگردان نظارتي و اجرايي(Remote Autonomous) كاربر از راه دور و قالبا از طريق اينترنت، برنامه رصدي خود (به صورت اسکريپت) را در اختيار سيستم هدايت خودكار رصدخانه قرار ميدهد و اين سيستم هوشمند به طور خودكار تمامي مراحل دادهگيري و نظارت بر فاكتورهاي محيطي و تجهيزات را بر عهده دارد. بنابراين، نياز به حضور هيچ تكنسيني در محل رصدخانه نيست.
· كلاس 5: شبكههاي رصدخانهاي (Observatory Networks) چندين رصدخانه با تجهيزات متفاوت و با حضور و يا بدون حضور تكنسين در محل هر كدام از آنها هستند. يك سيستم مديريتي مركزي خودكار، كنترل و هدايت تمامي اين تجهيزات را در مركز بر عهده دارد و كاربر بايد برنامه رصدي خود را به صورت اسکريپت مشخص در اختيار سيستم كنترل مركزي قرار دهد. سيستم مركزي بر حسب موضوع پروژه، تقسيم كار نموده و دادههاي نهايي از طريق سيستم مركزي در اختيار كاربر قرار ميگيرد. به بيان ديگر، كاربر با هيچكدام از رصدخانهها به طور مستقيم در ارتباط نيست.
معرفي اجمالي بخشهاي مختلف سيستم اتوماسيون و كنترل روباتيك رصدخانهاي
سيستمهاي راهبري و اتوماسيون رصدخانهاي در هر سطح و كلاسي كه باشند، داراي بخشهاي زير هستند:
1) تجهيزات رصدي و مرتبط با امور رصدي
تجهيزات شامل دو دسته اساسي تجهيزات رصدي و تجهيزات محيطي رصدخانه و يا كمپ رصدي است. بسياري از تجهيزات رصدي تجاري داراي قابليت كنترل از طريق رايانه هستند. اما در بخش تجهيزات محيطي، معمولا شما ملزم به ساخت سيستمي سختافزاري - نرمافزاري براي كنترل آنها از طريق رايانه هستيد .به ياد داشته باشيد که اتصال تجهيزات به رايانه، گام اوليه و اساسي در سيستمهاي مکانيزه کنترل و هدايت تجهيزات نجومي است. بسياري از تجهيزات در رصدخانههاي حرفهاي دنيا داراي سيستمهاي منحصر به فرد كنترلي هستند كه ساختاري شبيه به ساختار سيستمهاي اتوماسيون تجهيزات نجومي تجاري دارند.
2) بخش نرمافزاري سيستم
نرمافزار شما وظيفه ترجمه دستورات كاربر را به زبان تجهيزات نجومي و ارائه گزارش از نحوه عملكرد اين ابزارها را به عهده دارد. در پروژههاي اتوماسيون كلاس 4 و 5، اين نرمافزار به طور كاملا هوشمند ارتباط تجهيزات با رايانه (Drivers) و ارتباط رايانه با کاربر را به عهده گرفته و قابليت فرماندهي سيستم را به طور كامل داراست. براي كنترل بسياري از تجهيزات نجومي تجاري، پروتكل نرمافزاري استاندارد با نام ASCOM ارائه شده است كه قابليت مديريت و كنترل تجهيزات نجومي تجاري را داراست. در اين پروتكل، راهنماي بسيار جامعي در ارتباط با طراحي درايور تجهيزات نجومي دست ساز موجود است. بايد مد نظر داشت برنامه ASCOM تنها توانايي كنترل ادوات نجومي تجاري و تحت پوشش (Supported Equipment) آن هم در كلاس يك تا سه اتوماسيون را داراست و براي اجراي پروژههاي حرفهاي دقت كافي را دارا نيست. اما از نقاط قوت آن، قابليت هماهنگي و برقراري ارتباط با بسياري از نرمافزارهاي متداول آسماننما و كنترل دوربينهاي نجومي نظيرThe Sky, MaximDL, Starry Night است.
بسياري از نرمافزارهاي كنترل تجهيزات را ميتوانيد در زبانها و محيطهاي مختلف برنامهنويسي نظير Matlab, Microsoft Visual Studio و ... تهيه نماييد. پيشنهاد ما استفاده از C++ به عنوان زبان طراحي محيط نرمافزار وMatlab به عنوان زبان تهيه درايورها و ارتباط شما با سختافزارهاست. البته لازم به ذكر است كه در دنياي تجهيزات نجومي، مدلي تحت عنوانScripting ارائه شده كه قالبي استاندار براي اتصال رايانهها به تجهيزات نجومي و اجراي برنامههاي حرفهاي رصد است (مراجعه شود به اسکريپتنويسي و اجراي پروژههاي حرفهاي اتوماسيون)
مهمترين بخش سختافزاري در سيستمهاي سختافزاري اتوماسيون رصدخانهاي، مدارهاي PC Interface هستند. مدارها غالبا از نوع مدارهاي ديجيتال ميكروكنترلري كه قابليت برنامهگيري از رايانه را دارا بوده و فرمانهاي مقتضي را به دستگاههاي مربوطه منتقل مينمايند، هستند. براي مثال، در يك سيستم ساده كنترل گنبد از طريق رايانه، اين مدار به شكلي طراحي و ساخته شده است كه فرمانهاي كاربر را به صورت يك عدد (زاويه سمت گنبد) از طريق نرمافزار کاربري دريافت نمايد (غالبا اتصال اين مدار به رايانه از طريق پورت سريال است) و يك موتور پلهاي را بر اساس عدد دريافتي هدايت نمايد. خواهيد ديد اين مدار ساده كه در سطح پروژههاي دانشجويان سالهاي اول رشته الكترونيك است، چه تاثير شگفت انگيزي در پروژه اتوماسيون رصدخانهاي شما خواهد داشت.
به طور كلي مدارهاي سازنده سيستمهاي اتوماسيون رصدخانهاي در 4 دسته كلي تقسيم ميشوند:
1- مدارهاي سوئيچينگ رلهاي قابل كنترل از طريق رايانه به منظور كنترل كليدها، كنترل پاور ابزارهاي رصدي و ... (Relay Switching)
2- مدارهاي كنترل و درايو موتور به منظور كنترل حركت تلسكوپ، گنبد، فوكوس و ...(Motor Drivers)
3- حسگرها و مدارهاي رابط به منظور كنترل فاكتورهاي محيطي نظير دما، رطوبت، شدت روشنايي محيطي و ...(Sensors)
4- مبدلهاي آنالوگ به ديجيتال به منظور تبديل خروجي ابزارهايي كه دادههاي خود را به صورت آنالوگ در اختيار ميگذارند، نظير اكثر نورسنجهاي نجومي، دستگاههاي كنترل ولتاژ و جريان در منبع تغذيه ادوات نجومي و ... (A/D Converters)
5- سيستمهاي مونيتورينگ تصويري و تجهيزات امنيتي (Monitoring Systems)
در بسياري از تجهيزات نجومي تجاري، اين مدارها به صورت پيشفرض در دستگاه قرار دارد و تنها بايد از طريق ساخت رابطهاي لازم و اجراي چند تنظيم مقدماتي در نرمافزارهاي مربوطه، اين امكانات را استفاده نماييد.
1) تجهيزات شبكهاي
در كلاس 2 تا 5 استاندار اتوماسيون، به وضوح به توانايي كنترل از طريق شبكه و از راه دور اشاره شده است. برقراري اين ارتباط ميتواند در شكلهاي گوناگوني تدارك ديده شود. مثلا در كلاس 2 كافيست با استفاده از سادهترين متدهاي طراحي شبكه، رايانه كاربر به رايانهاي كه تجهيزات را كنترل مينمايد متصل شود و از اين طريق تجهيزات را هدايت نموده و دادهها را در فرصت مناسب (بعد از اتمام پروژه و يا در حين آن) از رايانه تحت کنترل به رايانه خود منتقل نمايد. شايد افرادي كه دادهگيري در شبهاي سرد رصدي را تجربه كرده باشند، هميشه اين آرزو را داشته باشند كه در اتاق گرم خود پشت رايانه شخصي نشسته و تلسكوپ و دوربين خود را كنترل نمايند (warm room). پروتكل جهاني ASCOM امكانات متعددي را در زمينه كنترل شبكهاي تجهيزات نجومي تحت پوشش در اختيار شما ميگذارد. در بسياري از تجهيزات تجاري نجومي، امکان اختصاص يکIP خاص به هر ابزار رصدي فراهم شده است. بنابراين بدون نياز به رايانه کنترلي، تلسکوپ يا دوربين شما جزيي از يک شبکه محلي شده و بر اساس پروتکلهاي استاندار شبکه قابل کنترل است.
توجه داشته باشيد اجراي پروژههاي اتوماسيون كلاس 3 تا 5 نيازمند آشنايي كامل با فناوريهاي شبكه و برنامهنويسي تحت شبكه است.
اسکريپتنويسي و اجراي پروژههاي حرفهاي اتوماسيون
اسکريپت (Script) نويسي زبان ارتباط شما با سيستمهاي خودكار كنترل تجهيزات نجومي است (كلاس 4 و 5 اتوماسيون رصدخانهاي). اين ساختار با فرمتي استاندارد در تمامي جهان پذيرفته شده است و در سالهاي اخير تمامي شركتهاي تجاري سازنده تجهيزات اپتيكي و نجومي، امكان استفاده از اين قالب فرمان نوشتاري را در تجهيزات خود تعبيه كردهاند. بسياري از نرمافزارهاي حرفهاي نجومي، قابليت اسكريپتنويسي را در محيط برنامه خود ايجاد نمودهاند. در محصولات تجاري نجومي، اين اسكريپتها غالبا به زبان Visual Basic است. اما رصدخانههاي حرفهاي دنيا هركدام فرمت منحصر بفردي را براي اسکريپتهاي كنترلي تجهيزات دارا هستند و كاربر براي استفاده از تجهيزات اين رصدخانهها و برقراري ارتباط با سيستمهاي مديريتي خودكار تجهيزات رصدخانه، ملزم به يادگيري و به كارگيري اين قالب فرماننويسي است.
كاربر هنگام اتصال به سيستم مركزي كنترل رصدخانه و يا سيستم رايانهاي کنترل تجهيزات، بايد فرمانها را تحت قالب مشخص، به صورت TEXT ذخيره و در اختيار سيستم مديريتي قرار دهد. كاربران سيستم عاملUnix با اين روش تا حدي آشنا هستند. اما نكته اينجاست كه اين روش فرماندهي و برنامه ريزي سيستم، تنها به ارسال چند فرمان ساده ختم نميشود. نکته قابل توجه، قابليت كنترل همزمان تمامي ابزارهاي نجومي متصل به سيستم به صورت هماهنگ و ارائه الگوريتم اجرايي و از پيش تعيين شده است. در ميان مجريان سيستمهاي اتوماسيون رصدخانهاي، اين سيستم به يک ارکستر موسيقي شهرت دارد. نوازندگان ارکستر، تجهيزات شما هستند و دستوراتي که شما به صورت اسکريپت ميفرستيد به فرمانهاي رهبر ارکستر تشبيه شده است که ضمن نظارت بر نحوه کارکرد تک تک اجزا، هماهنگي کلي و حفظ ريتم از پيش تعيين شده را به عهده دارد. جالب است بدانيد که يکي از معروفترين نرم افزازهاي کنترل ادوات نجومي و اتوماسيون رصدخانهاي Orchestrate Scripting Software نام دارد. آشنايي با اين نرمافزار در فهم مفاهيم کنترل و اتوماسيون و اسکريپتنويسي بسيار موثر است.
سيستمهاي اتوماسيون تجهيزات رصدخانهاي در ايران
رصدخانه ابوريحان بيروني دانشگاه شيراز
سيستمهاي مكانيزه كنترل ادوات نجومي در ايران با طرح ساخت ردياب رايانهاي تلسكوپ 20 اينچ رصدخانه ابوريحان بيروني دانشگاه شيراز و نرمافزار كنترل فرآيند دادهگيري نورسنج اين مجموعه توسط دكتر نعمت الله رياضي در سال 1378، پا به عرصه وجود گذاشت. اين طرح كه در كلاس 1 (Local) طبقه بندي ميشود، نمونه بسيار موفقي از سيستمهاي اتوماسيون رصدخانهاي در ايران است. سيستم كنترل روباتيك رصدخانه ابوريحان بيروني در سال 1386 به كلاس 3 ارتقا يافت و به عنوان اولين نمونه سيستم اتوماسيون رصدخانهاي درايران معرفي گرديد.اين سيستم قابليت كنترل دقيق گنبد، تلسكوپ و دستگاه نورسنج و تمامي فاكتورهاي محيطي را از طريق رايانه، تلفن همراه و تحت شبكه (بدون نياز به حضور اپراتور در محل) از هر نقطه دنيا، داراست. تمامي تجهيزات به كار رفته در اين طرح، در دانشگاه شيراز طراحي و ساخته شده است.
پروژه مكانيابي رصدخانه ملي ايران
بي شك، پروژه مكانيابي رصدخانه ملي ايران، بزرگترين پروژه رصدي در تاريخ نجوم رصدي مدرن ايران است. دادهگيريهاي ديد نجومي(Seeing) در بيش از 30 نقطه كشور در طول 4 سال، تجربيات رصدي بسيار ارزشمندي را به همراه داشته است. با توجه به صعبالعبور بودن مسير بيشتر سايتهاي رصدي و مشکلات ناشي از حضور در ارتفاعات نظير سرما، بي آبي و ... نياز به اجراي سيستمي مكانيزه، بسيار ضروري به نظر ميرسيد. سيستم راهبري مكانيزه و اتوماسيون تجهيزات رصدي پروژه مكان يابي رصدخانه ملي ايران در دو كلاس يك و چهار اتوماسيون رصدخانهاي ، در اسفند 1386 طراحي و در ارديبهشت 1387 به اجرا رسيد . در اين سيستم، تجهيزات رصدي و کليه فرآيندهاي مرتبط، در 5 قلههاي نهايي تحت بررسي در قم و كاشان، هم از طريق سيستم مركزي در سايت كاشان و هم از طريق ايستگاههاي مستقر در فاصله كوتاهي از تجهيزات (به منظور جلوگيري از بروز هرگونه سانحه)، كنترل شده و ديگر نيازي به حضور اپراتور در كنار تجهيزات نيست.
اين سيستم ضمن افزايش سرعت و دقت روند دادهگيري و كاهش خطرات جاني براي رصدگر، كاهش قابل ملاحظهاي در هزينههاي مرتبط داشته است. کليه قطعات و ابزارآلات مورد نياز اين سيستم کنترلي در مرکز تحصيلات تکميلي در علوم پايه زنجان طراحي و ساخته شده است.
منابع :
1. Software Bisque, Inc., Orchestrate Scripting Software, web site:
http://www.bisque.com/Products/Orchestrate/orchestrate.asp
2. E. Beshore, TSCRIPT – A Scripting Application for Automating Time Series Data Collection, Proceedings of the IAPPP-Western Wing, May 2002
3. The ASCOM Initiative web site:
http://ASCOM-Standards.or././font>
4. D. Healy and J. Medkeff, Ultimate Control System for the Junk Bond Observatory, web site:
http://www.roboticobservatory.com/softwar././a>
5. D. Harvey, PC-TCS Telescope Control System, web site:
8. Automation Techniques for Scientific Astronomy – Robert B. Denny – DC-3 Dreams SP, Mesa, Arizona –
http://www.DC-3.com ././enc
