Устройство сбора данных с беспроводных газовых датчиков

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике, а именно к устройствам для сбора, обработки и передачи данных с беспроводных газовых датчиков. Она может быть применена при ремонте, вводе и выводе из эксплуатации промышленных объектов, для мониторинга различных газов на железных дорогах, в медицинском оборудовании и др. областях.
Известна система наблюдения за параметрами окружающей среды [US2006180676 А1]. Система содержит базовую станцию, связанную с персональным компьютером и мобильный узел, связанный с базовой станцией по беспроводной сети. Мобильный узел включает датчик физических параметров окружающей среды, контроллер и радио приемопередатчик для приема, обработки и передачи сигнала, полученного от датчика, видеокамеру и плату обработки ее сигнала для определения местоположения мобильного сенсора и передачи этой информации вместе с измеренными параметрами окружающей среды в базовую станцию.
Недостатком известной системы является сложность конструкции мобильного узла, невозможность обеспечения самоорганизации системы, необходимость наличия большого количества заранее созданных распознаваемых образов в контролируемом помещении и сложность метода определения местоположения мобильного узла по упомянутым образам с использованием видеосигнала камеры, установленной в мобильном узле, что снижает надежность системы и точность полученных данных.
Также известен патент РФ на изобретение RU2545491C1. Система содержит блок приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, блок идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, первый, второй и третий блоки памяти, блок подсчета количества поступивших транзакций, первый и второй компараторы, первый и второй блоки адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха.
Недостатком данного решения является низкая гибкость устройства в плане подключения различных датчиков к устройству. Предполагается подключение только аналоговых датчиков, а также ограничены возможности по анализу и обработке получаемых сигналов.
Также известен патент US 20120327831 A1. Он представляет устройство для беспроводного сбора данных с датчиков, состоящее из радио части, GSM-модуля, вычислительного блока, контроллера Ethernet физического уровня, а также системы питания. При этом, беспроводная передача данных с датчиков обеспечивается посредством протоколов стандарта (IEEE) 802.11, данные с датчиков, управление устройством, а также конфигурирование устройства выполняется посредством GSM или Ethernet – соединения.
Недостатком данного решения является использование для связи с датчиками высокоскоростного, однако энергозатратного Wi-Fi соединения, что значительно ухудшает как показатели автономности датчиков, так и показатели автономности системы сбора данных с датчиков.
Ближайшим аналогом предложенной полезной модели является патент РФ на полезную модель RU179296U1, описывающий автономное устройство для сбора и передачи данных содержащее вычислительный блок, соединенный с запоминающим устройством, видеокамерой, цифровым барометром и модемом, и блок управления, соединенный с датчиком контроля заряда, аналоговыми датчиками окружающей среды и GSM-модулем. Причем в качестве вычислительного блока может быть использован программируемый микроконтроллер, в качестве запоминающего устройства - твердотельный полупроводниковый накопитель, в качестве модема - универсальный USB-модем, а в качестве датчиков окружающей среды - датчики давления и/или шума, влажности, скорости ветра, загазованности, дыма, освещенности.
Недостатком данного решения является использование внешнего USB-модема, ухудшающего массово-габаритные характеристики и общую надёжность устройства в целом. Кроме того, предполагается использование только датчиков, входящих в состав устройства, а также использование только аналоговых датчиков тоже является недостатком и существенно ограничивает спектр датчиков, которые могут быть подключены к устройству.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая модель является отсутствие устройств сбора данных с газовых датчиков, предполагающих возможность подключения широкого спектра внешних аналоговых и цифровых датчиков для выполнения задач долговременного, полностью автоматического мониторинга газовых сред в труднодоступных местах.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что устройство для сбора, обработки и передачи данных с беспроводных газовых датчиков состоит из радио части, обеспечивающей возможность связи с беспроводными газовыми датчиками, GSM-модуля, вычислительного блока, контроллера Ethernet физического уровня и системы питания. В качестве вычислительного блока может быть использован SoM-модуль. Радио часть может обеспечивать обмен данными на не лицензируемых частотах 433 МГц, 868 МГц, 2400 МГц.
Технический результат представленной полезной модели заключается в создании нового устройства, расширяющего функциональные возможности путём обеспечения возможности подключения широкого спектра беспроводных газовых датчиков для обеспечения долговременного, полностью автоматического мониторинга газовых сред в труднодоступных местах.
На прилагаемом к описанию чертеже показана структурная блок-схема устройства (фиг. 1).
На структурной схеме можно выделить следующие функциональные блоки:
1. Система питания. Обеспечивает пиатние всех внутренних узлов предлагаемого устройства.
2. Вычислительный блок (шлюз, состоит из SoM-модуля). Обеспечивает функционирование всех внутренних узлов и систем. Позволяет обрабатывать информацию с датчиков и выполнять с ней необходимые пользователю операции.
3. 3G модем. Обеспечивает беспроводную передачу данных с датчиков, информации о состоянии устройства, выполнять удалённое управление устройством.
4. Система радиочасти, построенная на SoC микросхеме. Обеспечивает прием данных с беспроводных датчиков, а также передачу необходимой информации на датчики.
5. Схема физического уровня Ethernet. Обеспечивает проводную передачу данных с датчиков, информации о состоянии устройства, выполнять удалённое управление устройством.
Для организации долговременного полностью автоматического мониторинга необходима система из газовых датчиков, размещаемых в зоне контроля, и шлюза 2 низкопотребляющей локальной беспроводной сети.
Общая схема функционирования выглядит следующим образом:
Беспроводные датчики устанавливаются в радиусе действия радиоинтерфейса устройства. Обработанные данные с датчиков принимаются на устройстве посредством радио части 4. Далее, данные поступают в вычислительный блок 2, где могут быть обработаны и переданы конечному потребителю либо посредством беспроводного соединения через GSM сети с помощью 3G модема 3, либо посредством проводного соединения с помощью схемы физического уровня Ethernet 5. Питание всех составных устройств обеспечивает система питания 1.
Таким образом, при подаче питания, система питания 1 выполняет преобразование входного напряжения в соответствующие питающие напряжения остальных блоков. При подаче питания на все блоки, вычислительный блок 2, начинает сбор данных с беспроводных датчиков и записывает полученную информацию на внутреннем накопительном устройстве. При наличии возможности подключения проводной сети, она подключается к схеме физического уровня Ethernet 5, при отсутствии такой возможности, подключение осуществляется при помощи беспроводного 3G модема 3. При этом возможен сценарий, при котором разные группы пользователей могут получать данные посредством обоих каналов – и проводного и беспроводного.
Примером реализации может служить следующий вариант:
Ключевой характеристикой беспроводной сети является используемая частота. Для реализации системы выбрана частота 868 МГц, так как она обеспечивает более высокую пропускную способность, чем 433 МГц.
Шлюз представляет собой устройство, осуществляющее передачу данных из сети LRWPAN в облачную информационную систему и обратно. Также он служит для управления сетью: обработка подключения и удаления устройств и их конфигурирование. Данное устройство имеет высокую вычислительную нагрузку, и поэтому для его создания используется одноплатный вычислительный модуль под управлением операционной системы Linux в промышленном исполнении.
В состав шлюза в качестве радиоинтерфейса входит микросхема CC1310, используемая в качестве контроллера сети LRWPAN. Шлюз работает под управлением процессорного модуля AM3352. В качестве операционной системы используется Debian Linux. Передача данных в информационную систему выполняется либо посредством LAN (по Ethernet-сети), либо через сотовую сеть WWAN (3G). Также к шлюзу есть возможность подключения газовых датчиков по проводным интерфейсам. Шлюз имеет внешний источник питания: либо питание по PoE (Power over Ethernet), либо внешний вторичный блок питания AC/DC.
Для реализации системы датчиков с низким потреблением при постоянной периодической передаче данных с низкой интенсивностью используются специализированные стандарты беспроводной связи – Long Range Wireless Personal Area Networks (LRWPAN), которые обеспечивают большую дальность передачи и высокую энергоэффективность (отношение переданного объема полезных данных к затраченной энергии). Основным промышленным стандартом в этой области является IEEE 802.15.4, описывающий физический и канальный слои для беспроводных сетей с низким энергопотреблением.
Для управления периферийными интерфейсами использована система на модуле Olimex AM3352-SOM. Данная система обеспечивает прием данных с внешних датчиков по интерфейсам I2C и UART, и по радио каналу при помощи микросхемы CC1310. После приема и обработки данных система может выдать собранную информацию на сервер по интерфейсу Ethernet или при помощи 3G модема.
Программное обеспечение и образ операционной системы хранятся на SD карте, установленной в модуль AM3352-SOM.
Подключение датчиков к шлюзу по проводному интерфейсу I2C возможно через внешний 4х-контактный разъем AUX-I2C или по проводному интерфейсу UART через внешний 4х-контактный разъем AUX-UART.
Для сбора данных с беспроводных датчиков по радио каналу используется микросхема CC1310. Данная микросхема может работать как с установленным усилителем радиосигнала CC1190, так и без него. Микросхема CC1310 обеспечивает прием данных по радио каналу и выдачу данных в модуль AM3352 по интерфейсу UART.
При отсутствии возможности подключения LAN к шлюзу обработанные данные на сервер возможно отправлять по 3G модему Huawei. Обмен данными модема с модулем AM3352 происходит по интерфейсу USB.
Выходные разъемы для внешних датчиков (CONN4 I2C, CONN4 UART) и разъем для микро-SIM карты имеют защиту от электростатических разрядов (ESD) с помощью микросхем TVS Diode Array WE-TVS (82400152) и ESDA6V1BC6 соответственно.
Шлюз представляет собой одноплатный вычислительный модуль, включающий процессор, оперативную память, энергонезависимую память, порты ввода-вывода, с установленным ОС Linux и драйверами для необходимых интерфейсов. В составе шлюза также есть сопроцессор - отдельный микроконтроллер, имеющий беспроводной интерфейс с датчиками.
На шлюзе запущен специальный процесс, отвечающий за связь с сопроцессором по интерфейсу UART, он отслеживает входящие сообщения с датчиков и при необходимости может передавать команды датчикам. Сообщения с датчиков шлюза принимает в виде бинарных пакетов. От типа пакета зависят дальнейшие предпринимаемые действия. Это могут быть либо пакеты с данными, либо служебные пакеты для синхронизации и подключения других устройств.
Пакеты с данными шлюз может анализировать сразу, например, вычислять среднее из нескольких значений. Это позволяет сократить сетевой трафик. Также шлюз может передавать их напрямую на удалённый сервер (mqtt-брокер). Данные передаются на сервер в виде бинарных пакетов, а служебная информация в виде JSON-структур.