Sistemi u realnom vremenu i IoT

Šta učimo ovog semestra

Petnaest sedmica, svaka s tri časa teorije i tri časa prakse. Danas: poglavlje 13 (Sedmica 13, označeno). Isti primjer kroz knjigu: DeliveryApp, narudžba N-1001 (24,50 €).

Literatura

1. B. Popović, K. Kuk: Informacioni sistemi, Kriminalističko-policijski univerzitet, Beograd, 2017.
2. J. S. Valacich, J. F. George: Modern Systems Analysis and Design, 9th ed., Pearson, 2020.
3. L. Jelenković: Sustavi za rad u stvarnom vremenu – skripta, FER, Zagreb, 2015.
4. D. Milićev: Programiranje u realnom vremenu – skripta, Beograd, 2002.
5. V. Kovačević, M. Popović: Sistemska programska podrška u realnom vremenu 1, FTN, Novi Sad, 2013.

Priča za početak

Zašto ovo poglavlje

U poglavljima 9 i 10 projektovali smo DeliveryApp kao web sistem: zahtjev dođe, server odgovori, i ako odgovor kasni sekundu, kupac je malo nestrpljiv, ali niko nije u opasnosti. Ali DeliveryApp dodiruje i fizički svijet: dostavljač vozi s telefonom koji javlja položaj, a hrana u restoranu stoji u hladnjaku koji mora držati temperaturu. Postoje i sistemi kod kojih je zakašnjeli odgovor isto tako pogrešan kao i netačan: kočnice, pejsmejker, upravljanje fabrikom. Ovo poglavlje uči kako se takvi sistemi projektuju. Prvo objašnjavamo šta je realno vrijeme i po čemu se razlikuju tvrdi i meki rokovi. Zatim upravljačku petlju, vezu računara sa senzorima i motorima, i operativne sisteme za realno vrijeme. Na kraju pouzdanost, glasanje dva od tri i Internet stvari. Na praktičnoj nastavi simuliramo hladnjak restorana i provjeravamo da li zadaci stižu na vrijeme.

Riječi ovog poglavlja (1/3)

• Sistem u realnom vremenu – sistem čiji je rezultat ispravan samo ako je i tačan i na vrijeme.
• Rok (deadline) – najkasniji trenutak do kojeg rezultat mora biti gotov.
• Tvrdi, čvrsti i meki rok – propušten tvrdi rok je katastrofa, čvrsti čini rezultat bezvrijednim, meki samo smanjuje kvalitet.
• Kašnjenje (latency) i treperenje (jitter) – koliko traje odgovor, i koliko se to trajanje mijenja od puta do puta.
• Ugrađeni sistem (embedded) – računar ugrađen u uređaj da obavlja jedan posao (u perilici, autu, hladnjaku).
• Senzor i aktuator – senzor mjeri (temperaturu, položaj), aktuator djeluje (pali kompresor, pokreće motor).

Riječi ovog poglavlja (2/3)

• Upravljačka petlja – stalni krug: izmjeri, uporedi sa željenim, djeluj, ponovo izmjeri.
• DDC (direct digital control) – direktno digitalno upravljanje: računar sam računa i šalje upravljački signal.
• A/D i D/A pretvarač – pretvara napon senzora u broj, i broj u napon za aktuator.
• Procesna magistrala (fieldbus) – mreža kojom se u fabrici povezuju senzori, aktuatori i kontroleri (npr. Modbus, CAN, PROFIBUS).
• RTOS (real-time operating system) – operativni sistem koji garantuje da će važni zadaci dobiti procesor na vrijeme.
• Prioritet i prekidanje – važniji zadatak smije prekinuti manje važan.

Riječi ovog poglavlja (3/3)

• Redundancija i glasanje – više primjeraka istog dijela; ishod bira većina (npr. dva od tri).
• Nadzorni tajmer (watchdog) – brojač koji ponovo pokrene sistem ako se program „zaglavi”.
• IoT (Internet of Things, Internet stvari) – uređaji sa senzorima koji preko interneta šalju podatke i primaju naredbe.

Ciljevi poglavlja

Nakon poglavlja možete:

objasniti šta je sistem u realnom vremenu i zašto zakašnjeli rezultat može biti pogrešan; razlikovati tvrde, čvrste i meke rokove na primjerima; objasniti kašnjenje, treperenje i najgore vrijeme izvršavanja; nacrtati upravljačku petlju i razlikovati otvorenu i zatvorenu petlju; objasniti regulator uključi-isključi s histerezom na hladnjaku restorana; izračunati rezoluciju A/D pretvarača; navesti čemu služe procesna magistrala i standard ISA-88; objasniti raspoređivanje po prioritetima i provjeriti test iskorištenosti procesora; izračunati pouzdanost glasanja dva od tri; objasniti nadzorni tajmer i siguran kvar; izračunati kako se nakuplja greška sata na primjeru Patriota 1991; opisati arhitekturu IoT sistema i obrazac objavi–pretplati se (MQTT).

Plan poglavlja – Sedmica 13: tri časa teorije i tri časa praktične nastave

13.1 Tačno i na vrijeme

U običnom informacionom sistemu rezultat je ispravan ako je tačan. Ako izvještaj o prometu DeliveryApp stigne za 3 sekunde umjesto za jednu, i dalje je ispravan. U sistemu u realnom vremenu rezultat je ispravan samo ako je tačan i na vrijeme. Ako računar kočnica tačno izračuna koliko treba pritisnuti kočnicu, ali to izračuna pola sekunde prekasno, auto je već udario.

Važno je razumjeti šta „realno vrijeme” ne znači: ne znači „vrlo brzo”. Znači predvidivo na vrijeme. Sistem koji uvijek odgovori za 50 milisekundi je sistem u realnom vremenu; sistem koji obično odgovori za 1 milisekundu, ali ponekad za 2 sekunde, nije, iako je u prosjeku brži.

Ključni pojam je rok (deadline): najkasniji trenutak do kojeg rezultat mora biti gotov. Rokovi se dijele po tome šta se desi kad se propuste:

13.1 Tačno i na vrijeme

DeliveryApp ima uglavnom meke rokove: ako se položaj dostavljača na mapi osvježi za 12 umjesto za 10 sekundi, kupac to jedva primijeti. Ali hladnjak u kojem restoran čuva meso i salate ima čvršći zahtjev: ako temperatura dugo bude previsoka, hrana se mora baciti, a rizik je i zdravlje kupaca. Zato i DeliveryApp, kao sistem koji spaja restorane, ima razloga da razumije realno vrijeme.

Ukratko – 13.1 Tačno i na vrijeme

• U sistemu u realnom vremenu rezultat je ispravan samo ako je tačan i na vrijeme.
• Realno vrijeme ne znači vrlo brzo, nego predvidivo na vrijeme.
• Propušten tvrdi rok je katastrofa, čvrsti čini rezultat bezvrijednim, a meki samo smanjuje kvalitet.
• Praćenje dostavljača ima meki rok, a hladnjak restorana čvršći.

13.2 Specifičnosti: kašnjenje, treperenje, najgori slučaj

Projektant sistema u realnom vremenu razmišlja drugačije od projektanta web aplikacije. Tri pojma su mu najvažnija.

Kašnjenje (latency) je vrijeme od događaja do reakcije: od trenutka kad senzor izmjeri 5,1 °C do trenutka kad se kompresor upali.

Treperenje (jitter) je koliko se kašnjenje mijenja od jednog puta do drugog. Ako se senzor očitava „svakih 10 ms”, a stvarni razmaci su 9, 11, 10, 14 i 8 ms, treperenje je veliko. Kod upravljanja motorom ili zvukom treperenje smeta koliko i samo kašnjenje.

Najgore vrijeme izvršavanja (WCET, worst-case execution time) je najduže vrijeme koje neki posao može trajati, u najgorem slučaju. Web projektant pita „koliko traje u prosjeku?”. Projektant realnog vremena pita „koliko traje najduže?”, jer rok mora biti ispoštovan i u najgorem slučaju, a ne samo obično.

13.2 Specifičnosti: kašnjenje, treperenje, najgori slučaj

Zato sistemi u realnom vremenu izbjegavaju sve što je nepredvidivo: čekanje na mrežu bez vremenskog ograničenja, pozive koji ponekad traju dugo, pa čak i automatsko čišćenje memorije koje neki programski jezici rade kad im odgovara. Programi za tvrde rokove češće se pišu u jezicima kao što su C, C++, Ada ili Rust, za male procesore, i provjeravaju u simulatoru (alati iz poglavlja 2).

Slika iz života: redovni gradski autobus. Putnicima je manje važno da autobus vozi brzo, a više da dolazi kad piše u redu vožnje. Autobus koji nekad dođe za 2, a nekad za 25 minuta, gori je od autobusa koji uvijek dođe za tačno 12.

Ukratko – 13.2 Specifičnosti: kašnjenje, treperenje, najgori slučaj

• Kašnjenje je vrijeme od događaja do reakcije, a treperenje njegova promjenljivost.
• Projektant realnog vremena pita koliko posao traje najduže (WCET), a ne u prosjeku.
• Zato se izbjegava sve nepredvidivo, a programi za tvrde rokove često se pišu u C, C++, Adi ili Rustu.
• Kao autobus: važnije je da dođe kad piše nego da vozi brzo.

13.3 Vrste sistema u realnom vremenu

Sistemi u realnom vremenu dijele se na još dva korisna načina.

Po tome šta ih pokreće:

• Vođeni vremenom (time-triggered): posao se radi u tačno određenim trenucima, npr. temperatura se očitava svakih 60 sekundi. Lako se predviđa i provjerava.
• Vođeni događajima (event-triggered): posao se radi kad se nešto desi, npr. vrata hladnjaka su otvorena. Brže reaguje, ali je teže predvidjeti koliko posla može doći odjednom (Apollo 11 je dobio mnogo više događaja nego što je predviđeno).

Po tome gdje rade:

• Ugrađeni sistemi (embedded systems): mali računar ugrađen u uređaj, za jedan posao. U hladnjaku restorana, perilici, autu (moderan auto ima desetine takvih računara). Često se zasnivaju na mikrokontroleru: čipu koji ima procesor, memoriju i ulaze i izlaze za senzore na jednom mjestu.
• Sistemi za upravljanje procesima: fabrike, elektrane, vodovod, gdje računari upravljaju pumpama, ventilima i motorima i povezani su posebnim mrežama (13.5).
• Distribuirani sistemi u realnom vremenu: više računara koji zajedno moraju poštovati rokove, npr. sistem semafora u gradu ili avion s više računara za upravljanje letom.

Ukratko – 13.3 Vrste sistema u realnom vremenu

• Sistemi vođeni vremenom rade posao u određenim trenucima, a vođeni događajima kad se nešto desi.
• Ugrađeni sistem je mali računar u uređaju, često na mikrokontroleru.
• Postoje i sistemi za upravljanje procesima i distribuirani sistemi u realnom vremenu.

Provjeri se

1. Znači li „realno vrijeme” isto što i „vrlo brzo”? Ne; znači predvidivo na vrijeme, uključujući najgori slučaj.
2. Kakav rok ima osvježavanje položaja dostavljača? Meki: zakašnjeli položaj i dalje vrijedi, samo manje.
3. Šta je WCET? Najduže vrijeme koje posao može trajati u najgorem slučaju.

Odgovori: tipka R ili klik na zamućeno polje.

13.4 Upravljačka petlja

Mnogi sistemi u realnom vremenu upravljaju nečim u fizičkom svijetu. Osnovni obrazac je upravljačka petlja:

1. senzor izmjeri stanje (temperatura u hladnjaku je 5,1 °C);
2. regulator (kontroler) uporedi izmjereno sa željenim stanjem i izračuna šta treba uraditi;
3. aktuator djeluje (upali kompresor);
4. stanje se mijenja, senzor ponovo mjeri, i krug se ponavlja.

Ovakva petlja zove se zatvorena, jer se rezultat djelovanja vraća kao novo mjerenje (povratna veza). Otvorena petlja nema povratnu vezu: toster drži hljeb tačno dvije minute, bez obzira da li je hljeb već izgorio. Zatvorena petlja je kao vozač koji gleda brzinomjer i podešava gas; otvorena je kao vozač koji drži papučicu na istoj poziciji i nada se.

13.4 Upravljačka petlja

Kada računar sam, u svakom krugu, izračuna i pošalje upravljački signal aktuatoru, to se zove direktno digitalno upravljanje (DDC, direct digital control). Ključni parametar je perioda uzorkovanja: koliko često se mjeri. Prerijetko mjerenje propusti promjenu; prečesto bespotrebno troši procesor.

13.4 Upravljačka petlja

Regulator uključi-isključi s histerezom

Najjednostavniji regulator je uključi-isključi: kompresor ili radi punom snagom, ili ne radi. Ali ako bi se kompresor palio na 4,0 °C i gasio na 4,0 °C, palio bi se i gasio svakih nekoliko sekundi i brzo se pokvario. Zato se koristi histereza: dvije granice. Hladnjak Picerije R-1 projektovan je ovako:

• kompresor se uključi kad temperatura pređe 5,0 °C;
• kompresor se isključi kad temperatura padne ispod 3,0 °C;
• između 3,0 i 5,0 °C kompresor zadržava zadnje stanje.

Isto radi termostat grijanja u stanu: peć se ne pali i gasi na svaku desetinku stepena.

13.4 Upravljačka petlja

U simulaciji (praktična nastava, primjeri/deliveryapp/hladnjak.py) temperatura, kad kompresor radi, pada 0,6 °C po minuti, a kad ne radi, raste 0,4 °C po minuti. Hladnjak tada mirno kruži između oko 3 i 5 °C. Od 25. do 45. minute vrata su otvorena (neko u kuhinji ih je zaboravio zatvoriti), pa toplota ulazi brže nego što kompresor može izbaciti: temperatura raste i dostiže 12,0 °C u 45. minuti. Sistem pali alarm kad je temperatura iznad 8,0 °C duže od pet minuta; u simulaciji alarm se pali u 40. minuti, a gasi u 52. minuti, kad se temperatura poslije zatvaranja vrata vrati ispod 8,0 °C.

13.4 Upravljačka petlja

Ukratko – 13.4 Upravljačka petlja

• Upravljačka petlja: senzor mjeri, regulator upoređuje sa željenim, aktuator djeluje, i krug se ponavlja.
• Zatvorena petlja ima povratnu vezu, a otvorena nema, kao toster.
• DDC znači da računar sam računa i šalje upravljački signal, s izabranom periodom uzorkovanja.
• Histereza (uključi iznad 5,0 °C, isključi ispod 3,0 °C) sprečava stalno paljenje i gašenje.
• U simulaciji otvorena vrata dižu temperaturu na 12,0 °C, a alarm se pali u 40. minuti.

13.5 Sprezanje s fizičkim svijetom

Računar razumije samo brojeve, a fizički svijet su naponi, temperature, pritisci i pokreti. Između njih stoje pretvarači.

A/D pretvarač (analogno-digitalni) pretvara napon senzora u broj. Njegova važna osobina je rezolucija: na koliko dijelova dijeli opseg napona. Pretvarač od n bita daje 2ⁿ različitih vrijednosti, pa je najmanji korak

Čemu služi. Formula kaže koliko sitnu promjenu senzor uopšte može primijetiti. Za 10-bitni pretvarač i opseg od 0 do 3,3 V (čest kod mikrokontrolera): ΔU = 3,3 V / 1024 ≈ 3,2 mV. Ako senzor temperature daje 10 mV po stepenu, sistem razlikuje promjene od oko 0,3 °C. Za hladnjak je to dovoljno; za medicinski termometar nije, pa bi trebao pretvarač s više bita.

D/A pretvarač radi obrnuto: broj pretvara u napon, npr. da podesi brzinu ventilatora.

13.5 Sprezanje s fizičkim svijetom

U fabrikama i velikim kuhinjama senzora i aktuatora ima stotine, i ne mogu se svi povezati posebnim žicama na jedan računar. Povezuju se procesnom magistralom (fieldbus): industrijskom mrežom s pravilima koja garantuju da poruke stižu na vrijeme. Poznati primjeri su Modbus (star, jednostavan i vrlo raširen), CAN (nastao za automobile, danas i u mašinama) i PROFIBUS/PROFINET (fabrike). Za razliku od obične kancelarijske mreže, kod procesne magistrale važnije je da poruka stigne na vrijeme nego da stigne mnogo podataka.

Za upravljanje procesima u kojima se proizvod pravi u serijama („šaržama”), kao u prehrambenoj, farmaceutskoj i hemijskoj industriji, postoji standard ISA-88 (ranije S88). On dijeli posao na recept (šta se pravi i kojim redom: miješaj, zagrij na 80 °C, drži 10 minuta, ohladi) i opremu koja recept izvršava. Ideja je ista kao kod modelovanja procesa iz poglavlja 4: posao se rastavi na korake i faze koje se mogu provjeriti i ponoviti. Velika industrijska kuhinja koja priprema hiljade obroka mogla bi upravljati kotlovima upravo po takvim receptima.

Ukratko – 13.5 Sprezanje s fizičkim svijetom

• A/D pretvarač pretvara napon u broj, a rezolucija je opseg podijeljen sa 2ⁿ.
• Za 10 bita i 3,3 V najmanji korak je oko 3,2 mV.
• Procesna magistrala (Modbus, CAN, PROFIBUS) povezuje senzore i aktuatore tako da poruke stižu na vrijeme.
• Standard ISA-88 dijeli šaržni proces na recept i opremu koja ga izvršava.

13.6 Operativni sistem za realno vrijeme

Računar u hladnjaku ili autu istovremeno radi više poslova: mjeri temperaturu, prikazuje je na ekranu, šalje podatke u oblak, provjerava vrata. To su zadaci (tasks). Koji dobija procesor kad ih je više spremno? Na običnom računaru odlučuje operativni sistem po svom nahođenju, trudeći se da svi budu „zadovoljni u prosjeku”. Za realno vrijeme to nije dovoljno, pa se koristi operativni sistem za realno vrijeme (RTOS, real-time operating system), npr. FreeRTOS, Zephyr ili VxWorks.

RTOS radi po jednostavnom i strogom pravilu: svaki zadatak ima prioritet, i od svih spremnih zadataka uvijek radi onaj s najvišim prioritetom. Ako se pojavi važniji zadatak dok manje važan radi, RTOS prekida (preemption) manje važan i odmah daje procesor važnijem. To je višezadaćni rad (multitasking) s prioritetima, upravo onakav kakav je imao računar Apolla 11: kad je posla bilo previše, poslovi navođenja za slijetanje imali su prednost, a manje važni su odbačeni.

13.6 Operativni sistem za realno vrijeme

Da li svi zadaci stižu na vrijeme?

Za periodične zadatke (koji se ponavljaju sa stalnom periodom) postoji jednostavna provjera. Svaki zadatak i ima trajanje Cᵢ (najgore vrijeme izvršavanja) i periodu Tᵢ. Udio procesora koji zadatak troši je Cᵢ / Tᵢ, a ukupna iskorištenost je

Čemu služi. Ako se prioriteti dodijele tako da kraća perioda dobija viši prioritet (to se zove rate monotonic), Liu i Layland su 1973. pokazali da svi zadaci sigurno stižu na vrijeme ako je U ≤ n · (2^{1/n} − 1). Za tri zadatka granica je 3 · (2^{1/3} − 1) ≈ 0,78.

Računar hladnjaka R-1 ima tri zadatka:

13.6 Operativni sistem za realno vrijeme

U = 0,10 + 0,05 + 0,10 = 0,25, što je manje od 0,78, pa sva tri zadatka sigurno stižu na vrijeme, s velikom rezervom. Ako bi neko dodao zadatak „kamera u hladnjaku” koji traje 60 ms svakih 100 ms (0,60), U bi bio 0,85, iznad granice od 0,78 za četiri zadatka (≈ 0,76), i garancije više ne bi bilo.

13.6 Operativni sistem za realno vrijeme

Ukratko – 13.6 Operativni sistem za realno vrijeme

• RTOS uvijek daje procesor spremnom zadatku najvišeg prioriteta i prekida manje važne.
• Tako je radio računar Apolla 11: pri preopterećenju zadržao je poslove od kojih je zavisilo slijetanje.
• Iskorištenost je U = Σ Cᵢ / Tᵢ; za tri zadatka s kraćom periodom na višem prioritetu dovoljno je U ≤ 0,78.
• Tri zadatka hladnjaka imaju U = 0,25 i sigurno stižu na vrijeme.

Provjeri se

1. Koja je razlika između otvorene i zatvorene petlje? Zatvorena ima povratnu vezu (ponovo mjeri rezultat), a otvorena nema.
2. Zašto hladnjak ima dvije granice, 3,0 i 5,0 °C? Histereza sprečava da se kompresor stalno pali i gasi.
3. Šta radi RTOS kad se pojavi važniji zadatak? Prekine manje važan i odmah da procesor važnijem.

Odgovori: tipka R ili klik na zamućeno polje.

13.7 Redundancija i glasanje

U poglavlju 9 vidjeli smo da dva paralelna servera povećavaju dostupnost. Kod sistema u realnom vremenu, posebno onih s tvrdim rokovima, redundancija ide korak dalje: nije dovoljno da rezervni dio postoji, nego treba i znati koji dio griješi.

Najpoznatiji obrazac je trostruka modularna redundancija (TMR, triple modular redundancy), ili glasanje dva od tri. Tri nezavisna računara (ili senzora) rade isti posao, a glasač uzima rezultat koji su dala bar dva. Ako jedan pogriješi, druga dva ga preglasaju. Slika iz života: tri sata na zidu. Ako jedan kasni pet minuta, a druga dva pokazuju isto, vjerujete onoj dvojici.

Ako je pouzdanost jednog dijela r (vjerovatnoća da radi ispravno), sistem dva od tri radi ispravno kad rade sva tri, ili tačno dva:

13.7 Redundancija i glasanje

Čemu služi. Za r = 0,99: R = 3 · 0,9801 − 2 · 0,970299 ≈ 0,9997. Vjerovatnoća otkaza pada s 1 % na oko 0,03 %, odnosno oko 33 puta. Ovo važi samo ako dijelovi otkazuju nezavisno, i ako je sam glasač pouzdan. Zato se u avionima i svemirskim letjelicama koriste računari različitih proizvođača, pa čak i programi koje su pisali različiti timovi, da ista greška ne pogodi sva tri.

Još dva obrasca pouzdanosti:

• Nadzorni tajmer (watchdog timer): brojač koji broji unazad, a ispravan program ga redovno „resetuje”. Ako se program zaglavi i prestane to raditi, brojač dođe do nule i ponovo pokrene sistem. Restart Apolla 11 i Pathfindera su primjeri ovakve samopomoći.
• Siguran kvar (fail-safe): kad nešto otkaže, sistem prelazi u bezbjedno stanje. Semafor koji izgubi kontrolu počne treptati žuto, a ne pokazivati zeleno na sve strane. Hladnjak koji izgubi senzor pali kompresor i alarm, jer je hladnija hrana manji rizik od tople.

Ukratko – 13.7 Redundancija i glasanje

• Glasanje dva od tri (TMR) koristi tri nezavisna dijela i uzima rezultat većine.
• Pouzdanost je R = 3r² − 2r³; za r = 0,99 to je oko 0,9997.
• Dijelovi moraju otkazivati nezavisno, pa se koriste različiti proizvođači i timovi.
• Nadzorni tajmer ponovo pokrene zaglavljen sistem, a siguran kvar vodi u bezbjedno stanje.

13.8 Sat i vrijeme

U distribuiranim sistemima u realnom vremenu postoji pitanje koje izgleda trivijalno: koliko je sati? Svaki računar ima svoj sat, i satovi se razilaze. Kad računari sarađuju (radar i raketa, dva semafora, dostavljač i server), male razlike u vremenu mogu dati velike greške u položaju.

13.8 Sat i vrijeme

13.8 Sat i vrijeme

Račun greške je jednostavan i vrijedi ga ponoviti:

Čemu služi. ε je greška jednog otkucaja, f broj otkucaja u sekundi, a t vrijeme rada (100 sati = 360 000 sekundi). Formula pokazuje opštu pouku: mala greška koja se sabira raste s vremenom rada. Zato se u projektovanju pitaju dvije stvari: koliko dugo sistem smije raditi bez ponovnog pokretanja (zahtjev koji je Patriotu falio), i kako se satovi računara usklađuju (u običnim mrežama protokolom NTP, u preciznim industrijskim mrežama protokolom PTP, a mnogi uređaji vrijeme uzimaju iz satelita GPS).

Za DeliveryApp je pouka skromnija, ali ista: položaj dostavljača i vrijeme narudžbe uvijek se zapisuju s vremenom iz usklađenog sata, u UTC (poglavlje 10), a ne s vremenom koje telefon dostavljača „misli” da je.

Ukratko – 13.8 Sat i vrijeme

• Satovi različitih računara se razilaze, a mala greška može dati veliku grešku u položaju.
• Kod Patriota 1991. greška od oko 0,000000095 s po otkucaju narasla je za 100 sati na oko 0,34 s.
• Greška je ε × f × t: mala greška koja se sabira raste s vremenom rada.
• Zahtjevi moraju reći koliko dugo sistem smije raditi bez ponovnog pokretanja, a satovi se usklađuju (NTP, PTP, GPS).

13.9 Internet stvari

Internet stvari (IoT, Internet of Things) su uređaji sa senzorima i aktuatorima koji preko interneta šalju podatke i primaju naredbe: pametni termostati, satovi, brojila struje, senzori u poljima, hladnjaci. Za DeliveryApp su dva primjera IoT-a sasvim prirodna:

• hladnjaci restorana šalju temperaturu svakih 60 sekundi, a DeliveryApp šalje upozorenje vlasniku ako se upali alarm (i, po želji, privremeno sakrije osjetljiva jela s jelovnika);
• telefoni dostavljača šalju položaj svakih 10 sekundi, da kupac vidi gdje je hrana.

Tipična IoT arhitektura ima četiri sloja:

1. uređaj (senzor i mikrokontroler u hladnjaku);
2. prolaz (gateway): mali računar u restoranu koji skuplja podatke s više uređaja i šalje ih dalje, i radi i kad internet nakratko nestane;
3. posrednik poruka (broker) u oblaku;
4. aplikacija: DeliveryApp, koji podatke čuva, prikazuje i na njih reaguje.

13.9 Internet stvari

Najčešći protokol za IoT je MQTT, a radi po obrascu objavi–pretplati se (publish–subscribe). Uređaj ne šalje poruku nekome određenom, nego je objavi na temu, npr. restorani/R-1/hladnjak/temperatura. Ko god se pretplatio na tu temu (DeliveryApp, aplikacija vlasnika, sistem za izvještaje), dobije poruku od posrednika. Ovo je ista ideja kao red poruka iz poglavlja 10, ali lagana, za uređaje sa slabim procesorom i nesigurnom vezom. Slika iz života: radio stanica. Stanica emituje na svojoj frekvenciji (tema), a sluša je ko god se na nju naštimao, bez da stanica zna ko sluša.

IoT donosi i posebne rizike za sigurnost (poglavlje 12): uređaja je mnogo, slabi su, dugo se ne ažuriraju, a često dolaze s istom fabričkom lozinkom. Pravila: svaki uređaj ima svoj ključ, saobraćaj je šifrovan, uređaj prima samo poruke na svoje teme, i postoji način da se ažurira na daljinu.

Ukratko – 13.9 Internet stvari

• IoT su uređaji sa senzorima i aktuatorima povezani preko interneta; za DeliveryApp to su hladnjaci restorana i telefoni dostavljača.
• IoT arhitektura ima uređaj, prolaz, posrednika poruka i aplikaciju.
• MQTT radi po obrascu objavi–pretplati se: uređaj objavi na temu, a dobija je svako ko je pretplaćen, kao radio stanica.
• IoT uređaji traže poseban oprez: svoj ključ za svaki uređaj, šifrovanje i ažuriranje na daljinu.

Provjeri se

1. Kolika je pouzdanost glasanja dva od tri za r = 0,99? Oko 0,9997.
2. Kolika se greška sata nakupila kod Patriota za 100 sati? Oko 0,34 sekunde.
3. Kako se zove obrazac po kojem radi MQTT? Objavi–pretplati se (publish–subscribe), s temama.

Odgovori: tipka R ili klik na zamućeno polje.

Praktična nastava – hladnjak, raspored i glasanje

Cilj je simulirati upravljačku petlju hladnjaka, provjeriti rasporedivost zadataka i izračunati pouzdanost glasanja, sve u Pythonu. Radi se u folderu kod/realno-vrijeme/.

Korak 1 – Simulacija hladnjaka

1. Kopirajte hladnjak.py iz primjeri/deliveryapp/ i pokrenite ga: python hladnjak.py.
2. Uporedite ispis sa slikom 13.2: kompresor se pali i gasi između 3 i 5 °C; vrata su otvorena od 25. do 45. minute; najviša temperatura je 12,0 °C; alarm se pali u 40. minuti.
3. Nacrtajte grafik temperature kroz vrijeme (biblioteka matplotlib), s horizontalnim linijama na 3,0, 5,0 i 8,0 °C i osjenčenim periodom otvorenih vrata.

Korak 2 – Promjene projekta

Mijenjajte po jedan parametar i zapišite posljedicu u kod/realno-vrijeme/nalazi.md:

1. Histereza bez razmaka (uključi i isključi na 4,0 °C). Koliko puta se kompresor upali u prvih 25 minuta, u odnosu na originalni projekat?
2. Vrata otvorena samo 10 minuta (od 25. do 35. minute). Da li se alarm upali?
3. Jači kompresor (hladi 1,2 °C po minuti). Šta se dešava s otvorenim vratima?
4. Dodajte pravilo sigurnog kvara: ako senzor vrati nemoguću vrijednost (npr. −40 °C ili 99 °C), kompresor se uključi i pali se alarm „kvar senzora”. Ubacite takvu vrijednost u 15. minuti i provjerite ponašanje.

Korak 3 – Test rasporedivosti

Napišite funkciju koja za listu zadataka (C, T) računa iskorištenost U i granicu n · (2^{1/n} − 1) i ispisuje da li je skup sigurno rasporediv:

def rasporediv(zadaci):
    n = len(zadaci)
    U = sum(c / t for c, t in zadaci)
    granica = n * (2 ** (1 / n) - 1)
    return round(U, 3), round(granica, 3), U <= granica

print(rasporediv([(1, 10), (5, 100), (20, 200)]))               # (0.25, 0.78, True)
print(rasporediv([(1, 10), (5, 100), (20, 200), (60, 100)]))    # (0.85, 0.757, False)

Provjerite oba primjera iz 13.6 i dodajte svoj zadatak (npr. „očitavanje vrata” 0,5 ms svakih 20 ms).

Korak 4 – Glasanje dva od tri

1. Napišite funkciju glasaj(a, b, c) koja vraća vrijednost koju su dala bar dva od tri senzora (za temperature: vrijednosti koje se razlikuju za najviše 0,5 °C smatraju se istim; vraća se njihov prosjek), ili None ako se nijedna dva ne slažu.
2. Isprobajte: (4,1; 4,2; 4,0), (4,1; 4,2; 19,5), (4,1; 9,0; 19,5).
3. Izračunajte 3r² − 2r³ za r = 0,9, 0,99 i 0,999 i zapišite koliko puta se smanjuje vjerovatnoća otkaza.

Korak 5 – Greška sata

Izračunajte u Pythonu grešku jednog otkucaja kada se 0,1 čuva sa 23 bita iza binarne tačke (0.1 - int(0.1 * 223) / 223), pa nagomilanu grešku za 8, 20, 48 i 100 sati rada pri 10 otkucaja u sekundi. Uporedite rezultat za 100 sati sa 0,34 s iz 13.8.

Korak 6 – MQTT i AI (opcionalno)

1. Uz biblioteku paho-mqtt i javni probni posrednik (npr. test.mosquitto.org) objavite temperaturu iz simulacije na temu deliveryapp-vjezba/<vaše-ime>/hladnjak i u drugom programu se pretplatite na nju. Ne šaljite ništa osim izmišljenih brojeva, jer je javni posrednik vidljiv svima.
2. Zatražite od AI asistenta da predloži pravila za alarm hladnjaka „kao što bi ih napisao inspektor za hranu”. Provjerite svaki prijedlog na simulaciji: koliko lažnih alarma bi davao, a koliko stvarnih problema bi propustio?

Rezultat koji se predaje: folder kod/realno-vrijeme/ sa simulacijom i grafikom, nalazi.md s rezultatima koraka 2 do 5, i funkcijama rasporediv i glasaj s ispisom provjera.

Vježba za studenta 1 – vrsta roka.

Vježba za studenta 1 – vrsta roka. – rješenje

Vježba za studenta 2 – rezolucija.

Vježba za studenta 2 – rezolucija. – rješenje

Vježba za studenta 3 – rasporedivost.

Vježba za studenta 3 – rasporedivost. – rješenje

Vježba za studenta 4 – glasanje.

Vježba za studenta 4 – glasanje. – rješenje

Vježba za studenta 5 – greška sata.

Vježba za studenta 5 – greška sata. – rješenje

Sažetak u pet rečenica

1. Sistem u realnom vremenu je ispravan samo ako je rezultat tačan i na vrijeme, a Apollo 11 je 1969. sletio jer je računar bio projektovan da pri preopterećenju zadrži najvažnije poslove.
2. Rokovi su tvrdi, čvrsti ili meki, a projektant gleda kašnjenje, treperenje i najgore vrijeme izvršavanja, a ne prosjek.
3. Upravljačka petlja mjeri, upoređuje i djeluje; hladnjak R-1 regulatorom s histerezom drži 3 do 5 °C, a u simulaciji s otvorenim vratima alarm se pali u 40. minuti.
4. RTOS uvijek daje procesor zadatku najvišeg prioriteta, a test iskorištenosti U = Σ Cᵢ/Tᵢ (za tri zadatka hladnjaka 0,25, ispod granice 0,78) pokazuje da svi zadaci stižu na vrijeme.
5. Glasanje dva od tri podiže pouzdanost na 3r² − 2r³ (0,9997 za r = 0,99), greška sata se nakuplja kao kod Patriota 1991 (0,34 s za 100 sati), a IoT uređaji šalju podatke preko MQTT-a po obrascu objavi–pretplati se.

Pitanja za ponavljanje

1. Šta se desilo pri slijetanju Apolla 11 i zašto je slijetanje uspjelo?
2. Šta je sistem u realnom vremenu? Znači li to „vrlo brz”?
3. Objasnite razliku između tvrdog, čvrstog i mekog roka s primjerima.
4. Šta su kašnjenje, treperenje i WCET?
5. Kako se sistemi u realnom vremenu dijele po tome šta ih pokreće i gdje rade?
6. Opišite upravljačku petlju. Koja je razlika između otvorene i zatvorene petlje?
7. Šta je histereza i zašto je potrebna u hladnjaku R-1?
8. Kako se računa rezolucija A/D pretvarača? Dajte primjer.
9. Čemu služe procesna magistrala i standard ISA-88?
10. Kako RTOS raspoređuje zadatke? Napišite test iskorištenosti i primijenite ga na hladnjak.
11. Šta je inverzija prioriteta?
12. Objasnite glasanje dva od tri i izračunajte pouzdanost za r = 0,99.
13. Šta su nadzorni tajmer i siguran kvar?
14. Šta se desilo s Patriotom 1991. i kako se računa nagomilana greška sata?
15. Šta je IoT, od kojih slojeva se sastoji i kako radi MQTT?