БЕСПРОВОДНОЙ РАДИОИНФОРМАЦИОННЫЙ МАЯК

Полезная модель относится к области устройств радиосвязи и предназначена для применения в системах мониторинга местоположения абонентов, в основном мониторинга персонала на промышленных предприятиях с повышенной вероятностью загрязнения воздуха, в офисных зданиях с контролем пожаробезопасности, а также на предприятиях где необходим контроль других параметров окружающей среды.
Из существующего уровня техники известен беспроводной радиомаяк, содержащий корпус, внутри которого расположены соединенные между собой устройство обработки команд и хранения данных, приемопередатчик стандарта BLE, блок измерения параметров окружающей среды, беспроводной источник питания (см., напр., RU2738467 опубл. 14.12.2020). Радиомаяк передает находящемуся в его зоне видимости отслеживаемому объекту по радиоинтерфейсу BLE свой номер, а отслеживаемый объект измеряет уровень принимаемого сигнала, который показывает на сколько удален объект от видимого им маяка. В последующем отслеживаемый объект передает на сервер системы мониторинга собранную от нескольких видимых им радиомаяков информацию и, поскольку их координаты известны, то по ним вычисляется местоположение данного объекта. Беспроводной источник питания постоянно поставляет электрическую энергию на приемопередатчик стандарта BLE до тех пор, пока его заряд не станет равен нулю. Поскольку стандартом для электромагнитных волн, генерируемых приемопередатчиком, является Bluetooth Low Energy, то потребляемая мощность батарейного блока в единицу времени мала, что обеспечивает длительную работу радиомаяка (от 2 до 5 лет в зависимости от емкости источника питания).
Недостатком известного решения является низкая точность определения местоположения отслеживаемого объекта (ошибка может достигать до 10 м). Приемопередатчик стандарта Blue Tooth Low Energy (BLE), применяемый в известном решении для определения местоположения, обеспечивает передачу радиосигналов в пределах достаточно узкой полосы частот, что не позволяет достичь более точного определения местоположения.
Пропускную способность канала радиотехнической системы определяет ширина полосы частот. За счет увеличения полосы частот можно достичь большей точности в определении местоположения. Одним из таких способов увеличить емкость информационного канала с целью повышения скорости передачи данных в радиолокационных системах является технология, использующая сверхширокополосные сигналы - радиостандарт UWB (Ultra-Wide Band). Технология UWB позволяет реализовать определение местоположения с точностью до 10 - 100 см на расстоянии до 50 м между радиоприемником и радиоответчиком, не требует прямой видимости и не чувствительна к электромагнитным помехам.
Из существующего уровня техники известен радиомаяк локальной системы позиционирования, работающий по технологии сверхширокополосной связи UWB и содержащий корпус, внутри которого расположены соединенные между собой устройство обработки команд и хранения данных с беспроводным источником питания и приемопередатчик стандарта UWB (см., напр., RU2734099, опубл. 13.10.2020). Питание радиомаяк получает от аккумулятора. Благодаря использованию в радиомаяке приемопередатчика стандарта UWB существенно повышается точность определения расстояния до отслеживаемого объекта, однако в отличие от приемопередатчиков BlueTooth Low Energy сверхширокополосный приемопередатчик является энергозатратным элементом, что существенно сокращает время работы маяка от беспроводного источника питания до нескольких часов или дней и требует либо частой его замены, либо подключения к постоянному источнику питания. При этом подключение радиомаяков локальной системы позиционирования к постоянным источникам питания не целесообразно, поскольку требует от предприятия дополнительных затрат на монтаж электропроводки, что в свою очередь не позволит при необходимости свободно изменять место расположения радиомаяков в дальнейшем.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание точного и надежного радиоинформационного маяка, работающего от автономного источника питания с функцией информирования отслеживающего объекта о состоянии окружающей среды и передачей ему точной информации о его местоположении.
Поставленная задача в предложенном техническом решении решается за счет того, что беспроводной радиоинформационный маяк, содержащий корпус, внутри которого расположены соединенные между собой устройство обработки команд и хранения данных с беспроводным источником питания, приемопередатчик стандарта BLE и блок измерения параметров окружающей среды, согласно техническому решению, дополнительно снабжен приемопередатчиком стандарта UWB и ToF сенсором, при этом в качестве устройства обработки команд и хранения данных использован микроконтроллер, который двусторонне соединен с блоком измерения параметров окружающей среды, приемопередатчиком стандарта UWB, ToF сенсором и приемопередатчиком стандарта BLE, причем микроконтроллер выполнен обеспечивающим включение/выключение приемопередатчика стандарта UWB и блока измерения параметров окружающей среды при поступлении соответствующего сигнала от ToF сенсора.
Приемопередатчик стандарта BLE может быть снабжен антенной решеткой, работающей по технологии AoD.
Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение длительного срока автономной работы устройства между заменами/подзарядкой беспроводного источника питания за счет снижения суммарного энергопотребления устройства.
Причинно-следственная связь указанных признаков с заявленным техническим результатом раскрывается далее по тексту описания.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом, не охватывающим и, тем более, не ограничивающим объем притязаний по данному решению, а лишь являющимся иллюстрирующим материалом частного случая его выполнения, на котором изображена структурная схема устройства беспроводного радиоинформационного маяка (фиг. 1).
Беспроводной радиоинформационный маяк содержит корпус 1. Внутри корпуса 1 расположен микроконтроллер 2, блок 3 измерения параметров окружающей среды, приемопередатчик 4 стандарта BLE, приемопередатчик 5 стандарта UWB и ToF сенсор 6. К микроконтроллеру подсоединен беспроводной источник 7 питания. Микроконтроллер 2 двусторонне соединен с блоком 3 измерения параметров окружающей среды, приемопередатчиком 4 стандарта BLE, приемопередатчиком 5 стандарта UWB и ToF сенсором 6. Микроконтроллер 2 выполнен с обеспечением включения/выключения приемопередатчика 5 стандарта UWB и блока 3 измерения параметров окружающей среды при поступлении соответствующего сигнала от ToF сенсора 6.
Беспроводной радиоинформационный маяк работает следующим образом.
Перед началом работы устройство конфигурируется по приемопередатчику 4, работающему по радиоинтерфейсу стандарта BLE, при помощи вспомогательной программы-конфигуратора, установленной на смартфоне. В процессе конфигурирования беспроводному радиоинформационному маяку присваивается его уникальный номер, служащий для его идентификации в сети при передаче данных. Также в память устройства заносятся его точные координаты.
Во время отсутствия в зоне ответственности объекта - радиоответчика радиоинформационный маяк работает в режиме ожидания. Питание подается микроконтроллером 2 только на ToF сенсор 6, который предназначен для определения появления движущегося объекта в зоне ответственности беспроводного радиоинформационного маяка, и приемопередатчик стандарта BLE 4, вещающий с увеличенной периодичностью. Остальные элементы - блок 3 измерения параметров окружающей среды и приемопередатчик 5 стандарта UWB отключены.
ToF сенсор 6 является представителем нового типа датчиков, разработанных компанией ST Microelectronics и способных получать высокоточную трехмерную картинку на расстояниях до 5 метров. Его принцип работы основан на отслеживании расстояния между двумя объектами на основе постоянной скорости света. ToF сенсор 6 излучает массив света, образованного инфракрасными лучами, и отслеживает каждый импульс в отдельности для создания карты глубины пространства. Эти карты могут обновляться с высокой частотой зондирования, что позволяет осуществлять 3D-отслеживание. Таким образом, с помощью ToF сенсора 6 происходит точное трехмерное отслеживание в реальном времени. При этом ToF сенсор 6 использует намного меньше по сравнению с другими датчиками движения ресурсов микроконтроллера 2 для выполнения своих функций, поэтому потребление энергии на его обслуживание минимально как в активном режиме, так и в режиме ожидания, что играет существенную роль для снижения энергопотребления устройства и обеспечения длительного срока его работы между заменами/подзарядкой беспроводного источника питания.
В качестве устройства обработки команд и хранения данных в заявляемом устройстве выбран микроконтроллер - специальная микросхема, предназначенная для управления электронными компонентами устройства. Такой выбор обоснован тем, что он, в отличие от микропроцессора, имеет минимальное количество инструкций для перемещения данных между процессором и памятью, имеющей отдельные модули для хранения программ и данных, и меньшее количество аппаратного обеспечения, за счет чего характеризуется малой вычислительной мощностью, достаточной для управления работой элементов беспроводного радиоинформационного маяка, что снижает удельное энергопотребление, как в режиме ожидания, так и в активном режиме, влияя тем самым на длительность работы устройства между подзарядками/заменами беспроводного источника питания. Предпочтительно использовать в качестве микропроцессора Cortex-LO. Данный микропроцессор обладает очень низким энергопотреблением, доступен при заказе, имеет низкую стоимость и стандартные средства разработки.
Абонентский радиответчик, приняв BLE сигнал от радиоинформационного маяка, проверяет его на наличие в маяке приемопередатчика стандарта UWB и, в случае его присутствия, выдает запрос на точное измерение расстояния при помощи UWB сигнала.
Данный запрос будет выполнен радиоинформационным маяком при появлении отслеживаемого объекта в зоне действия ToF сенсора 6, последний фиксирует изменение скорости света, производимого излучаемыми им инфракрасными лучами, и подает сигнал в микроконтроллер 2, свидетельствующий о появлении объекта в зоне видимости. Микроконтроллер 2 дает команду на включение приемопередатчику 5 стандарта UWB и блоку 3 измерения параметров окружающей среды.
В свою очередь приемопередатчик 5 стандарта UWB генерирует и излучает короткие импульсы специальной формы, подобранной так, чтобы равномерно распределить всю энергию импульса по заданному достаточно широкому участку спектра (приблизительно от 3 ГГц до 10 ГГц). Данные, в свою очередь, кодируются полярностью и взаимным расположением импульсов. В результате, обладая достаточно высокой суммарной передаваемой в эфир мощностью и, следовательно, значительным расстоянием уверенного приема, UWB сигнал в каждой конкретной точке спектра (т.е. на каждой конкретной лицензируемой полосе частот) не превышает крайне низкого, во много раз меньше, чем у NB-сигналов, значения. По временному интервалу возвратившейся волны приемопередатчик 5 стандарта UWB вычисляет расстояние до объекта и передает полученные данные в микроконтроллер 2.
Приемопередатчик 4 стандарта BLE работает по стандарту версии 5.1. Он генерирует радиосигнал и периодически через заранее заданный промежуток времени передает его в эфир. В предпочтительном варианте выполнения радиосигнал передается в эфир посредством установленной на приемопередатчике 4 стандарта BLE антенной решетки, работающей по технологии AoD (Angle of Departure (AoD) для определения направления (угла) излучения маяка абонентским радиоответчиком. Угол вылета радиосигнала вычисляется как угловой фазовый сдвиг, возникающий между антеннами при передаче радиочастотных сигналов. Данные вычислений угла передаются микроконтроллеру 2.
Блок 3 измерения параметров окружающей среды оснащен датчиками ее измерения. Набор этих датчиков зависит от требований предприятия, на котором производится мониторинг персонала. В число их могут входить следующие датчики: датчик температуры (для отслеживания пожароопасной ситуации), датчик влажности, датчик давления, датчик звука, датчик света, датчик магнитного поля, датчик вибрации, газоанализатор и др. При поступлении от микропроцессора 2 команды на включение датчики блока 3 измерения параметров окружающей среды вычисляют соответствующие параметры и передают данные в микроконтроллер 2.
Микроконтроллер 2, получив данные от всех элементов, вычисляет расстояние до объекта, геометрию расположения объекта относительно габаритов помещения и его координаты. Далее пакет данных, включающий параметры окружающей среды, координаты объекта и уникальный номер беспроводного радиоинформационного маяка передаются из микроконтроллера 2 в приемопередатчик 5 стандарта UWB, откуда посредством сверхширокополосной технологии передаются отслеживаемому объекту на радиоответчик.
В момент удаления из зоны ответственности объекта - радиоответчика ToF сенсор 6 передает соответствующий сигнал микроконтроллеру 2, который в свою очередь выключает блок 3 измерения параметров окружающей среды и приемопередатчик 5 стандарта UWB, переводя устройство в режим ожидания.
Таким образом, при реализации заявляемого технического решения может быть создано применяемое в системах мониторинга местоположения абонентов точное и надежное радиоинформационное устройство, длительно работающее в автономном режиме, обеспечивающее информирование отслеживаемого объекта о состоянии окружающей среды и передачу ему точной информации о его местоположении.