Способ сбора телеметрической информации о состоянии объектов РКТ при транспортировании с помощью беспроводной сенсорной сети ZigBee
METHOD OF COLLECTING TELEMETRIC INFORMATION ON THE STATE OF SPACECRAFT OBJECTS DURING TRANSPORTATION USING A WIRELESS SENSOR NETWORK ZigBee

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике с применением технологий беспроводных сенсорных сетей и может использоваться с целью определения, сбора и передачи данных о величинах внешних воздействующих факторов на различные объекты, требующие определенных условий при транспортировании, например, оборудования, материалов, объектов ракетно-космической техники (РКТ).
Данный способ сбора и передачи телеметрических данных с использованием беспроводных датчиков предназначен для решения следующих задач:
- определения и локализации нештатных (аварийных) ситуаций (при их возникновении) в режиме реального времени;
- документирования данных о возникновении нештатных ситуаций, в том числе для предъявления претензий при нарушении условий и правил транспортирования, а также в качестве доказательств, при возникновении страховых случаев.
Известно изобретение «Способ эксплуатации беспроводной сети сенсоров и сенсорный узел» [патент Российской Федерации на изобретение RU 2452036 С1, опубликованный 27.05.2012 г.], в котором описывается принцип формирования беспроводных сенсорных сетей, их строение и функционирование. Техническим результатом данного изобретения является обеспечение возможности избирательного конфигурирования сенсорного узла, когда в пределах дальности радиосвязи находятся другие сенсорные узлы. Данное изобретение дает общее понимание построения беспроводных сенсорных сетей и возможности их применения в различных областях жизнедеятельности.
Известно изобретение «Комплекс сбора и анализа телеметрической информации для мониторинга безопасности объектов» [патент Российской Федерации на изобретение RU 2337391 С1, опубликованный 27.10.2008 г.], в котором производится контроль высотных сооружений и сооружений, подвергаемых периодическим или постоянным нагружениям, путем снятия телеметрических данных с датчиков, устанавливаемых на различных конструкциях объекта наблюдения, каждый из которых имеет проводную связь с блоками декодирования, аналого-цифрового преобразования сигналов в формат для дальнейшей обработки, с блоками приема-передачи и запоминающими устройствами. Недостатками данного комплекса является сложность в настройке и подготовке установки, громоздкость, низкая гибкость и масштабируемость, наличие только проводной связи датчиков, отсутствие самоорганизации в системе передачи телеметрической информации.
Известно изобретение «Беспроводная система технических параметров промышленных объектов и способ его осуществления» [патент Российской Федерации на изобретение RU 2430399 С1, опубликованный 11.01.2010 г.], в котором реализован сбор телеметрической информации с датчиков при помощи беспроводной сенсорной сети, основанной на использовании базовой станции, маршрутизаторов и сенсорных модулей. Информация идет по заранее запланированному маршруту от сенсорного модуля через определенный маршрутизатор к базовой станции. Данная система заявлена для использования в исследованиях работы газовых скважин. Недостатком данной системы являются применение заранее прописанных маршрутов следования телеметрических данных от сенсорного модуля в базовую станцию, т.е. при отсутствии связи между маршрутизатором и прикрепленными к нему сенсорными модулями, данные в базовую станцию не поступят. Кроме того, заявлено, что сенсорный модуль состоит из отдельных вычислительного и передающего устройства, следовательно, удваивается потребление автономного электропитания. В данной системе используются только датчики давления и температуры.
Наиболее близким техническим решением является автоматизированная система мониторинга перевозок грузов железнодорожным транспортом [патент Российской Федерации на изобретение RU 2466460 С2, опубликованный 10.11.2012 г.], предназначенная для реализации мер по своевременному прогнозированию, выявлению и предупреждению угроз с учетом данных автоматического сбора, обработки и анализа поступающей информации с транспортных средств (ТС), осуществляющих перевозку грузов. В данной автоматизированной системе мониторинга содержится набор датчиковой аппаратуры для контроля состояния перевозимого груза, информация от которого передается в центральный пункт мониторинга (ЦПМ) вместе с текущими координатами ТС, при этом датчиковая аппаратура может быть распределена по нескольким ТС и связана в единую сеть либо проводным способом либо при помощи УКВ-радиоканала, что необходимо при осуществлении перевозки железнодорожным транспортом, при которой груз распределен по отдельным вагонам, входящим в единый состав.
Основными недостатками известной системы являются:
- применение проводного типа связи некоторых датчиков, что исключает гибкость и усложняет развертывание системы на объекте наблюдения;
- применение УКВ-радиосвязи для передачи информации с датчиков в ЦПМ, не являющегося помехозащищенным каналом связи, что может привести к потере телеметрических данных при передаче;
- отсутствие самоорганизации системы датчиков, т.е. невозможность передачи собранной информации любого из датчиков через соседние датчики, минуя основной канал передачи данных при его неработоспособности.
Заявленный способ сбора телеметрической информации о состоянии объектов РКТ при помощи беспроводной сенсорной сети стандарта ZigBee (IEEE 802.15.4), позволяет устранить вышеперечисленные недостатки известной системы.
ZigBee является единственной стандартизированной беспроводной технологией, изначально нацеленной на мониторинг и контроль, распределенных сетей датчиков, а также на развертывание беспроводных информационных сетей для недорогих малопотребляющих систем, используемых в коммерческой, промышленной и домашней автоматике.
Способ сбора и передачи телеметрической информации о состоянии объектов РКТ по протоколу ZigBee включает в себя несколько классов устройств: координатор, в роли которого выступает комбинированный навигационно-телекоммуникационный модуль (далее - КНТМ), маршрутизаторы и оконечные устройства. Основная задача КНТМ заключается в установке параметров и создании сети, выборе основного радиочастотного канала, в задании уникального сетевого идентификатора. При этом КНТМ является наиболее сложным из трех типов устройств, обладает наибольшим объемом памяти и повышенным энергопотреблением. Маршрутизаторы используются для расширения радиуса действия сети, поскольку способны выполнять функции ретрансляторов между устройствами, расположенными далеко друг от друга. На практике большинство устройств сенсорной сети являются оконечными устройствами, а применение маршрутизаторов и КНТМ необходимо для образования мостов связи и соответствующей сетевой топологии. Как только маршрутизаторы и другие устройства подключаются к сети, они получают информацию о ней от КНТМ или любого, уже задействованного в сети маршрутизатора, и на основе этой информации устанавливают свои операционные параметры в соответствии с характеристиками сети. Маршрутизатор получает таблицу сетевых адресов, которые он распределяет между подключившимися к сети оконечными устройствами. Благодаря встроенному в вычислительные модули протоколу ZigBee все операции по формированию сети, присоединению новых устройств, прокладке оптимальных маршрутов сообщений осуществляются автоматически, без участия внешнего микроконтроллера. Данный способ сбора и передачи телеметрической информации допускает использование вычислительных модулей как самостоятельных узлов, в этом случае источником информации выступают имеющиеся на модуле периферийные узлы - порты ввода-вывода, АЦП и ЦАП, так и под управлением одного КНТМ, который посылает команды для каждого устройства сети.
Основными достоинствами данного способа является энергосбережение, повышение автономности и надежности, что особенно актуально для передачи телеметрической информации с датчиков, объем которой редко превышает несколько десятков байт. Большинство вычислительных модулей беспроводной сенсорной сети работает по следующему алгоритму: устройство находится в «спящем» состоянии практически все время, обеспечивая оптимальный режим энергосбережения. При поступлении новой информации либо во время очередного сеанса связи устройство активизируется, быстро передает данные и снова переходит в режим пониженного энергопотребления. Типовые временные задержки при этом составляют 30 мс для подключения нового устройства к сети, 15 мс для перехода из «спящего» в активное состояние, 15 мс для доступа к каналу. Потребляемый ток при передаче может составлять порядка 15…30 мА, а в «спящем» режиме - менее 2 мкА. Таким образом удается на порядки продлить срок службы аккумуляторных батарей, снизить их количество и уменьшить общие габариты сенсорного устройства.
Практическое применение заявленного способа сбора телеметрической информации при помощи беспроводной сенсорной сети для определения состояния объекта наблюдения достигается использованием следующих технических средств:
- вычислительных приемо-передающий модулей Zigbee;
- датчиков давления;
- датчиков влажности;
- датчиков-газоанализаторов;
- датчиков температуры;
- акселерометров;
- датчиков задымления;
- датчиков смещения;
- блоков сопряжения, каждый из которых включает вычислительный приемо-передающий модуль ZigBee, датчик и совместно образуют оконечное беспроводное сенсорное устройство (ОБСУ);
- Li-Ion аккумуляторные батареи.
На фиг. 1 изображена схема применения способа сбора телеметрической информации при помощи беспроводной сенсорной сети ZigBee:
1…9 - ОБСУ (разного типа, зависящие от назначения датчика);
10 - комбинированный навигационно-телекоммуникационный модуль;
11 - объект наблюдения.
На фиг. 2 изображена структурная схема оконечных беспроводных сенсорных устройств.
Измерительный датчик 12 через блок сопряжения 13 подключается к аналоговым или цифровым входам вычислительного приемо-передающего модуля ZigBee 14 в зависимости от типа датчика, к элементам автономного электропитания 15. Автономное электропитание ОБСУ осуществляется от литий-ионных батарей, напряжение и емкость которых подбирается в зависимости от характеристик датчика и необходимого срока службы изделия. В ОБСУ происходит получение информации с измерительного датчика, выраженного в соответствующих единицах измерения, конвертация измеренных данных в формат, необходимый для передачи информации по беспроводной сенсорной сети до конечной точки маршрута - КНТМ 10. Кроме того, каждое ОБСУ 1…9 может выступать в качестве маршрутизатора, т.е. быть связующим звеном (ретранслятором) при передаче телеметрических данных от соседних датчиков ОБСУ 1…9, если их связь с КНТМ 10 в данный момент недоступна. Данное свойство позволяет строить самоорганизующуюся сенсорную сеть, в которой потеря информации практически исключена, так как передача информации до КНТМ 10 сети может осуществляться по нескольким цепочкам, доступным в данный момент. КНТМ 10 сенсорной сети отвечает за построение сети ОБСУ 1…9, организацию оптимальных маршрутов передачи телеметрических данных каждого датчика, получение информации с каждого датчика и сохранения ее для последующей обработки, определения навигации объекта по данным инерциальной и спутниковой навигационных систем, обработку принятой информации и передачи ее по сетям мобильной сотовой или спутниковой связи для окончательной обработки и хранения.
Построение сети ОБСУ 1…9 осуществляется следующим образом: КНТМ 10 высылает в эфир на определенной частоте сигнал опроса в виде своего идентификатора и номера сети, ОБСУ 1…9, расположенные в непосредственной близости от КНТМ 10 и уловившие сигнал опроса, запоминают идентификатор КНТМ 10 и номер сети и высылают в обратном направлении свой уникальный идентификатор (МАС-адрес). Если сигнал опроса от КНТМ 10 не доходит до удаленных ОБСУ, то эти ОБСУ при включении посылают в эфир свой сигнал о готовности присоединения к сети, высылая свой уникальный идентификатор, таким образом они могут быть присоединены к соседним ОБСУ, входящим в сформированную сеть, которые автоматически становятся маршрутизаторами (ретрансляторами). Сеть ОБСУ 1…9 располагается непосредственно на контролируемом перевозимом объекте 11.
Количество ОБСУ может легко быть увеличено или уменьшено до необходимой величины, согласно поставленным задачам и условиям, что позволяет гибко конфигурировать и масштабировать телеметрическую систему сбора данных, для этого вновь подключаемому ОБСУ необходимо только просканировать эфир на наличие КНТМ или соседнего ОБСУ, уже входящего в сеть и получить от него одобрение на подключение к сети. Данная функция позволяет развертывать сеть сбора телеметрии в кратчайшие сроки, по сравнению с известными аналогами, практически на любом транспортном средстве и осуществлять наблюдение за состоянием любых объектов.
Техническим результатом реализации (способа) изобретения являются:
- возможность гибкого масштабирования и конфигурации системы датчиков за счет добавления новых устройств или сокращения имеющихся;
- повышение надежности передачи данных за счет возможности узлов сети к самоорганизации и использовании помехозащищенного канала связи;
- применение беспроводных бесконтактных датчиков с низким энергопотреблением;
- возможность снижения энергопотребления и повышение автономности за счет нахождения вычислительных модулей в «спящем» состоянии большую часть времени;
- снижение времени развертывания системы за счет использования беспроводных сенсорных устройств;
- возможность использования на любых видах транспорта.
Способ сбора телеметрической информации о состоянии объектов РКТ с помощью беспроводной сенсорной сети ZigBee является одним из ключевых элементов аппаратно-программного комплекса беспроводной системы оценки состояния различных объектов при их транспортировании.