СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ НА РАССТОЯНИИ

Техническое решение относится к вычислительной технике, а именно к автоматизированным системам контроля и управления с элементами вычислительной техники, и может быть использовано для осуществления функций контроля, регистрации и управления, в том числе ограничения и контроля доступа, в системах охранно-пожарной сигнализации, в системах охраны помещений от несанкционированного доступа, в сфере жилищно-коммунального хозяйства для обеспечения дистанционного контроля и учета потребленных энергоресурсов, минимизации потерь от аварийных ситуаций -предотвращения и быстрого реагирования на их последствия, а также для энергосбережения, увеличения комфортности пользования и повышения безопасности.
Известна система передачи и обработки сигналов о состоянии объекта (см., патент RU №2087036 МПК G08C 19/00, G08B 25/00, публикация от 10.08.1997), содержащая датчики, связанные с объектами контроля, станцию, включающую блок подключения датчиков, выходом связанный с входом блока обработки данных, по меньшей мере, один пульт оператора, подключенный через приемник и передатчик стыкового сигнала к блоку обработки данных станции, а также дополнительные станции, каждая из которых содержит передатчик и приемник основного сигнала и передатчик и приемник дополнительного сигнала, подключенные к блоку обработки данных, коммутаторы, дифференциальные системы. Станции подключены таким образом, что обеспечивается передача сигнала в обратном основному сигналу направлении, что уменьшает потери информации при выходе из строя отдельных участков.
Известна система передачи и обработки сигналов (см., патент US №4442426 МПК G08B 01/08, публикация от 1984), содержащая датчики о состоянии объектов, информация о которых передается через блок подключения датчиков на центральную станцию, включающую блок обработки данных, причем поступившие сигналы контролируются с выхода блока обработки данных и подаются на пульты оператора, которые осуществляют их дешифрацию и преобразование в форму, обеспечивающую возможность индикации состояния объектов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является система контроля и управления объектами на расстоянии (см., патент RU №56034, МПК G08C 19/00, публикация от 27.08.2006), состоящая из отдельных стандартных модулей, включающая сетевой контроллер, получающий информацию от внешних датчиков и передающий обработанную информацию через сеть на сервер, выполняющий функции накопителя информации, командного терминала и оператора, причем сетевой контроллер представлен базовой платой, на которой размещена плата расширения, причем базовая плата состоит из микроконтроллера, обрабатывающего информацию, полученную от внешних датчиков через преобразователи уровня платы расширения, блока питания, светодиодного индикатора, контроллера физического уровня Ethernet, а плата расширения выполнена с возможностью изменения конфигурации в зависимости от количества подключаемых внешних датчиков, при этом в качестве сети, передающей обработанную информацию с сетевого контроллера на сервер, использована сеть Ethernet, а внешними датчиками являются пожарные датчики, датчики вскрытия, датчики тревожной кнопки, считыватель электронного ключа "Touch Memory".
Недостатками прототипа являются завышенные затраты на построение и обслуживание системы при подключении большего количества датчиков и повышение надежности передачи данных до необходимого уровня, а также отсутствие резервирования канала передачи данных. Так, снижение затрат при подключении сетевого контроллера на удаленных объектах обеспечивается за счет использования сети Ethernet общего пользования, которая несмотря на все преимущества, не обеспечивает достаточной надежности передачи данных, необходимой для управления и охраны объектов, а в случае построения специально предназначенной для этих целей сети неоправданно повышаются затраты. Кроме этого, для увеличения количества подключенных датчиков в пределах одного объекта, необходимо установить дополнительные сетевые контроллеры, проложив к ним специальный кабель и установив дополнительное сетевое оборудование, при этом подключение к сетевому контроллеру часто используемых аналоговых датчиков осуществляется через внешний измерительный прибор.
Для более полного понимания сущности предлагаемого технического решения приводим уточняющие термины, употребляемые для его описания:
микроконтроллер (Micro Controller Unit, MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами, сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
радиочастотный трансивер (transceiver) - приемопередатчик радиоволн;
CAN (Controller Area Network - сеть контроллеров) - стандарт промышленной сети, ориентированный на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков;
"сухой контакт" - термин, означающий отсутствие у такого контакта гальванической связи с другими электрическими цепями в частности с электропитанием и "землей". Например "сухим контактом" являются контакты электромеханической кнопки, обычного или концевого выключателя, геркона и реле;
электронный ключ Touch Memory (буквально, контактная память) - это носитель данных для автоматической контактной идентификации уникального кода;
RFID (Radio Frequency Identification, радиочастотная идентификация) - метод автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках;
электронный ключ RFID (RFID брелок, транспондер, метка) это носитель данных для автоматической бесконтактной идентификации уникального кода;
терминал (terminal) - конечная часть некой системы, которая обеспечивает связь системы с внешней средой;
охранно-пожарный шлейф - электрическая цепь, соединяющая выходные цепи извещателей, включающая в себя вспомогательные элементы и соединительные провода и предназначенная для передачи извещений на приемно-контрольный прибор, а в некоторых случаях и для подачи электропитания на извещатели;
мультимедиа - комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих пользователю работать в диалоговом режиме с разнородными данными (графика, текст, звук, видео), организованными в виде единой информационной среды.
Техническим результатом предложенного решения является устранение недостатков прототипа, в частности снижение трудоемкости при построении и обслуживании системы, повышение надежности системы, достоверности передачи и информативности представления данных, подключение большего количества внешних датчиков, прямое подключение аналоговых датчиков.
Технический результат достигается тем, что в систему контроля и управления объектами на расстоянии, содержащую N дистанционных контроллеров, каждый из которых выполнен на первом микроконтроллере, входы и выходы которого соединены соответственно через измерительные и согласующие цепи с внешними датчиками и через адаптер Ethernet через сеть передачи данных с Р серверами обработки и накопления информации, причем измерительные и согласующие цепи реализованы из измерительных цепей охранно-пожарных шлейфов, согласующих цепей дискретных входов, согласующих цепей дискретных выходов, адаптера однопроводного последовательного интерфейса, адаптера интерфейса RS485, адаптера интерфейса RS232, адаптера интерфейса CAN, дополнительно, к каждому дистанционному контроллеру через интерфейсы передачи данных подключено до М модулей расширения, каждый из которых реализован на втором микроконтроллере, входы и выходы которого подключены соответственно через измерительные и согласующие цепи к внешним датчикам, причем в дистанционные контроллеры введен электронный архив, а в измерительные и согласующие цепи дистанционных контроллеров и модулей расширения добавлена измерительная цепь аналогового сигнала, кроме того серверы обработки и накопления информации связаны через сеть передачи данных с Q терминалами контроля и управления взаимодействующими с пользователем через мультимедийный интерфейс.
Модули расширения реализованы с возможностью изменения конфигурации в зависимости от конфигурации измерительных и согласующих цепей и подключенных к ним датчиков, а первые микроконтроллеры связаны с сетью передачи данных через трансивер мобильной сотовой связи.
Кроме того, первые микроконтроллеры связаны с радио датчиками и модулями расширения через радиочастотный трансивер, а в каждый дистанционный контроллер введен приемник сигналов глобальной системы позиционирования.
Сущностью предложенного технического решения является то, что система осуществляет регистрацию и накопление информации, управление и охрану распределенных стационарных и мобильных объектов, при этом обеспечивая распределенное предоставление мультимедийного человеко-машинного интерфейса для контроля и управления этими объектами через стационарные и мобильные терминалы.
Причем применение модулей расширения обеспечивает подключение большего количества датчиков и снижение затрат на построение сети за счет их меньшей стоимости по сравнению с дистанционным контроллером, при этом позволяет отказаться от применения дополнительного сетевого оборудования и в некоторых случаях от прокладки проводов. При этом обеспечивается повышенная надежность и достоверность передачи сигналов путем дублирования соединения с дистанционным контроллером.
Введение измерительной цепи аналогового сигнала обеспечивает снижение затрат за счет прямого подключения часто используемых аналоговых датчиков без необходимости применения внешних измерительных приборов.
Введение в дистанционный контроллер электронного архива большой емкости значительно повышает надежность и достоверность передачи данных за счет длительного хранения данных и событий и при необходимости обеспечения возможности их повторной передачи на сервер или сохранения на внешнем накопителе.
Введение в дистанционный контроллер трансивера мобильной сотовой связи, через который обеспечивается дополнительное соединение с сетью передачи данных, увеличивает надежность и достоверность передачи данных, обеспечивая дублирование соединения сервером обработки и накопления информации, а также прямую передачу сообщений на терминалы контроля и управления.
Введение в ряд дистанционных контроллеров приемника сигналов глобальной системы позиционирования увеличивает информативность данных за счет автоматического определения координат управляемого объекта, что обеспечивает возможность автоматического отображения данных на картах и схемах, а также группировки данных, по географическому признаку.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена общая схема построения системы, на фиг.2 представлена расширенная схема построения системы с детализацией структуры дистанционного контроллера. На фиг.3 - расширенная схема построения системы с детализацией структуры модуля расширения.
Состав системы:
1. Дистанционный контроллер (сетевой контроллер);
2. Модуль расширения;
3. Сеть передачи данных;
4. Сервер обработки накопления информации;
5. Терминал контроля и управления (стационарный или мобильный на основе персонального или промышленного компьютера, мобильного телефона или коммуникатора);
6. Микроконтроллер дистанционного контроллера;
7. Микроконтроллер модуля расширения;
8. Источник питания;
9. Приемник сигналов глобальной системы позиционирования;
10. Измерительные цепи охранно-пожарных шлейфов;
11. Измерительные цепи аналогового сигнала;
12. Согласующие цепи дискретных входов;
13. Согласующие цепи дискретных выходов;
14. Адаптер однопроводного последовательного интерфейса;
15. Адаптер интерфейса RS485;
16. Адаптер интерфейса RS232;
17. Адаптер интерфейса CAN;
18. Трансивер радиочастотный;
19. Электронный архив;
20. Цепи резервного питания и тактирования часов реального времени;
21. Энергонезависимое запоминающее устройство;
22. Адаптер интерфейса USB;
23. Графический жидкокристаллический индикатор;
24. Светодиодный индикатор;
25. Трансивер мобильной сотовой связи;
26. Адаптер интерфейса Ethernet;
27. Канал передачи данных мобильного оператора связи;
28. Канал передачи данных фиксированного оператора связи;
29. Внешний носитель данных с интерфейсом USB;
30. Охранно-пожарные извещатели (датчики);
31. Датчики измерения температуры, освещенности, влажности и других физических величин с аналоговым выходом;
32. Датчики со стандартным аналоговым выходом по току или напряжению;
33. Приборы учета расхода воды, газа, электроэнергии и другие с импульсным телеметрическим выходом;
34. Датчики с выходом типа "сухой контакт";
35. Исполнительные устройства;
36. Электронный ключ "Touch Memory";
37. Электронный ключ "RFID";
38. Охранно-пожарные датчики и исполнительные устройства с радио интерфейсом;
39. Приборы учета расхода тепла, воды, газа, электроэнергии, измерители физических величин, исполнительные механизмы и другие приборы, обеспечивающие передачу информации по интерфейсам RS485, RS232, CAN;
1
2
40, 40 Измерительные и согласующие цепи соответственно дистанционного контроллера и модуля расширения;
1
2
41, 41 Внешние датчики, подключенные соответственно к дистанционному контроллеру и модулю расширения, включающие: охранно-пожарные датчики 30; считыватель электронного ключа "Touch Memory" 36; считыватель электронного ключа "RFID" 37; приборы учета расхода воды, газа, электроэнергии и другие с импульсным телеметрическим выходом 33; датчики типа сухой контакт 34; исполнительные устройства 35; датчики температуры, освещенности, влажности и других физических величин с аналоговым выходом 31; датчики со стандартным аналоговым выходом по току или по напряжению 32; приборы учета расхода тепла, воды, газа, измерители физических величин, исполнительные механизмы и другие приборы 39, обеспечивающие передачу информации по интерфейсам RS485, RS232, CAN 15, 16, 17.
Состав электронного архива 19: цепи резервного питания и тактирования часов реального времени 20, энергонезависимое запоминающее устройство 21, адаптер интерфейса USB 22, внешний носитель данных с интерфейсом USB 29.
Система работает следующим образом.
Контроль доступа и охрана объектов базируется на возможности дистанционного контроллера 1 напрямую или через модули расширения 2 считывать коды с электронных ключей 36, 37, контролировать состояние шлейфов охранно-пожарной сигнализации 10, к которым подключены охранно-пожарные извещатели 30, получать сообщения от радиоканальных охранно-пожарных извещателей 38 через радиочастотный трансивер 18, управлять исполнительными устройствами 35 через дискретные входы 12 и выходы 13, отправлять сообщения и запросы на серверы обработки и накопления информации 4 и терминалы 5.
При предъявлении электронного ключа 36, 37 микроконтроллер 6 дистанционного контроллера через адаптер однопроводного последовательного интерфейса 14 считывает его уникальный электронный код. После этого микроконтроллер 6 при помощи встроенной программы выполняет процедуру авторизации, сравнивая полученный код с таблицей кодов, хранящейся в энергонезависимой памяти 21, а также отправляет запрос через сеть передачи данных 3 на один из серверов обработки и накопления информации 4. Запись с результатом процедуры авторизации помещается в электронный архив 19 дистанционного контроллера 1. При положительном результате процедуры авторизации микроконтроллер 6, в зависимости от настроек и своего текущего состояния, дает команду на переключение режима охраны дистанционного контроллера 1 и управляющий сигнал на исполнительный механизм контроля доступа 35.
Для обнаружения тревожной ситуации к измерительным и дискретным входам дистанционного контроллера 1 или модуля расширения 2 подключены охранно-пожарные извещатели 30. Кроме этого дистанционный контроллер 1 принимает через радиочастотный трансивер 18 сигналы от охранно-пожарных извещателей с радио интерфейсом 38.
Охранно-пожарные извещатели 30 контролируют различные физические параметры, так для охраны помещений использованы инфракрасные, магнитоконтактные извещатели, извещатели разбития стекла, ручные извещатели и другие, а для предотвращения пожара тепловые, дымовые, световые, ионизационные, ручные и другие пожарные извещатели, кроме этого использованы датчики обнаружения протечки воды, утечки газа и другие.
При обнаружении тревожной ситуации извещатель 30 передает сигнал на вход дистанционного контроллера 1 или модуля расширения 2. Сигнал проходит через измерительные и согласующие цепи 10 и анализируется управляющей программой микроконтроллера 6, которая сохраняет запись о тревожной ситуации в электронный архив 19 и отображает тревожное сообщение на светодиодном 24 и графическом индикаторе 23, а также дает управляющий сигнал на исполнительный механизм 35 и звуковой оповещатель (сирену) 35. После этого, дистанционный контроллер 1, в зависимости от настроек, отправляет информационное сообщение напрямую на мобильный терминал 5 в виде голосового и текстового сообщения, а также через один из каналов передачи данных на сервер обработки и накопления информации 4. Сервер 4 обрабатывает сообщение, сохраняет его в базе данных и передает на подключенные к серверу 4 мобильные или стационарные терминалы контроля и управления 5. Полученное сообщение преобразуется управляющей программой и отображается через мультимедийный
интерфейс терминала 5.
Учет расхода различных ресурсов и энергоносителей базируется на считывании показаний соответствующих приборов учета с импульсным телеметрическим выходом 33, а также приборов учета 39, обеспечивающих передачу информации по интерфейсам RS485, RS232, CAN 15, 16, 17.
Например, для учета потребления электроэнергии к дискретным входам дистанционного контроллера 1 или модуля расширения 2 подключен счетчик электроэнергии 33 который фиксирует потребление электроэнергии и на каждый измеренный кВт-ч выдает через телеметрический выход заданное количество импульсов, поступающих на вход дистанционного контроллера 1. Импульсы через согласующие цепи 12 поступают на вход микроконтроллера 6, подсчитываются и преобразуются в значение расхода на основе параметров, сохраненных в энергонезависимой памяти 21. Периодически, через заданное время, запись, содержащая текущий расход, сохраняется в электронном архиве 19 дистанционного контроллера 1, а также через один из каналов передачи данных 27, 28 отправляется на сервер обработки и накопления информации 4. Сервер 4 обрабатывает сообщение, сохраняет его в базе данных и передает на подключенные к серверу 4 мобильные или стационарные терминалы контроля и управления 5. Полученное сообщение преобразуется управляющей программой и отображается через мультимедийный интерфейс терминала 5.
Учет расхода других ресурсов производится аналогичным образом.
Для измерения физических величин к аналоговым измерительным цепям 11 дистанционного контроллера 1 или модуля расширения 2 подключены датчики температуры, освещенности, давления, влажности и другие 31, в том числе датчики, оснащенные стандартным аналоговым выходом по току или напряжению 32. Сигнал от датчиков 31, 32 проходит через измерительные цепи аналогового сигнала 11 и поступает на аналогово-цифровой преобразователь, после чего управляющая программа микроконтроллера 6 преобразует его в значение физической величины на основе параметров, сохраненных в энергонезависимой памяти 21. Периодически, через заданное время, значение сохраняется в электронном архиве 19 дистанционного контроллера 1, а также через один из каналов передачи данных 27, 28 отправляется на сервер обработки и накопления информации 4. Сервер 4 обрабатывает сообщение, сохраняет его в базе данных и передает на подключенные к серверу 4 мобильные или стационарные терминалы контроля и управления 5. Полученное сообщение преобразуется управляющей программой и отображается через мультимедийный интерфейс терминала 5.
2
Подключение большего количества датчиков и снижение затрат на построение сети достигается применением модулей расширения 2, которые выполнены на микроконтроллерах 7 и измерительных и согласующих цепях 40 с возможностью изменения конфигурации в зависимости от количества подключаемых внешних датчиков. М модулей расширения 2 соединены с дистанционным контроллером 1 через проводной 15, 16, 17 и радио интерфейс 18, обеспечивая повышенную надежность и достоверность передачи сигналов путем дублирования соединения. В узлах системы, не требующих высокой надежности, допускается применение только одного из интерфейсов, а применение в этом случае радио интерфейса 18 обеспечивает дополнительное снижение затрат за счет отсутствия необходимости прокладки проводов.
Преобразователи интерфейсов 14, 15, 16, 17, измерительные 10, 11 и согласующие 12, 13 цепи модулей расширения 2 имеют схожую с аналогичными цепями дистанционного контроллера 1 архитектуру и алгоритмы работы.
Для увеличения надежности и достоверности передачи данных в дистанционный контроллер 1 введен трансивер мобильной сотовой связи 25, через который обеспечивается дополнительное соединение дистанционного контроллера 1 с сетью передачи данных 3.
Трансивер мобильной сотовой связи 25 подключен к источнику питания 8 дистанционного контроллера 1 и соединен с микроконтроллером 6 дистанционного контроллера 1 через внутренний последовательный интерфейс, через который управляющая программа микроконтроллера 6 передает и получает команды и данные.
При отсутствии соединения через канал фиксированного оператора связи 28 управляющая программа микроконтроллера 6 через запрограммированное время, дает команду трансиверу 25 на установку соединения через канал мобильного оператора связи 27. При ее успешном выполнении программа начинает отправлять сообщения через это соединение. Периодически, через заданное время, программа дает команду на открытие соединения через канал фиксированного оператора связи 28 и при ее успешном выполнении дает команду трансиверу 25 на закрытие соединения через канал мобильного оператора связи 27 и начинает отправлять сообщения через канал фиксированного оператора связи 28. При отсутствии связи с сервером 4 через оба канала 27, 28, управляющая программа формирует и передает сообщения напрямую на терминал контроля и управления 5 в виде голосового или текстового сообщения через канал мобильного оператора связи 27. В узлах системы, не требующих высокой надежности, допускается применение только одного из каналов, а применение в этом случае канала мобильного оператора связи 27 обеспечивает дополнительное снижение затрат за счет отсутствия необходимости прокладки проводов.
Для увеличения надежности и достоверности передачи данных в дистанционный контроллер 1 также введен электронный архив большой емкости 19, который хранит архивные записи данных и событий и при необходимости обеспечивает их повторную передачу на сервер 4. Электронный архив обеспечивает также перенос данных через адаптер USB 22 на внешний носитель 29.
Электронный архив 19 состоит из микросхемы энергонезависимой памяти 21 и адаптера интерфейса USB 22, соединенных с микроконтроллером 6, часов реального времени, встроенных в микроконтроллер 6, и цепей их тактирования и резервного питания 20, а также управляющей подпрограммы микроконтроллера 6. Электронный архив 19 работает следующим образом. Основная программа передает в подпрограмму электронного архива 19 очередную запись, к этой записи добавляется метка времени, полученная от часов реального времени, и текущие координаты объекта. После этого запись сохраняется в энергонезависимую память 21.
При восстановлении связи с сервером 4 после ее длительного отсутствия, подпрограмма извлекает из электронного архива 19 накопленные за это время записи и передает их на сервер 4. После утери информации на сервере 4, сервер 4 передает запрос дистанционному контроллеру 1, который отправляет в ответ записи, накопленные за указанное время.
При подключении к адаптеру USB 22 внешнего носителя данных 29, подпрограмма электронного архива расшифровывает ключевой файл, хранящийся на этом носителе 29, сравнивает полученный код с кодом, сохраненным в энергонезависимой памяти 21, и в случае их совпадения, переносит указанные в ключевом файле типы записей из электронного архива 19 на внешний носитель данных 29.
Для увеличения информативности данных и обеспечения более простого отображения данных на картах и схемах в дистанционный контроллер 1 введен приемник сигналов глобальной системы позиционирования 9. Приемник 9 обрабатывает полученные через антенный вход сигналы спутников, преобразует их в координаты объекта, которые передает на микроконтроллер 6 дистанционного контроллера 1 через внутренний последовательный интерфейс. Управляющая программа микроконтроллера добавляет полученные координаты к записям электронного архива 19 и к информационным сообщениям, отправляемым на серверы обработки и накопления информации 4. На основе этих координат программа на сервере 4 группирует данные по географическому положению объекта, а управляющая программа терминала 5 обрабатывает и отображает эти данные через мультимедийный интерфейс, в том числе в виде карты или схемы.
Технико-экономическим эффектом предлагаемой полезной модели является существенное снижение затрат на построение и обслуживание системы, возможность подключения большего количества внешних датчиков за счет применения модулей расширения и возможность прямого подключения часто используемых аналоговых датчиков. Кроме этого значительное повышение надежности и достоверности передачи информации достигается за счет резервирования канала передачи данных и увеличения глубины архива, увеличена информативность данных за счет автоматического определения координат управляемого объекта и предоставления распределенного мультимедийного интерфейса для контроля и управления объектами.