Контроллер интерфейсов для распределенного доступа к сети приборов учета

Областью применения контроллера интерфейсов с производственным названием
«Экор» является приборостроение в области измерений показаний или снятия характеристик приборов промышленных сетей, относится, в частности, к сетевым приборам систем доступа к системам учета и контроля потребляемых ресурсов.
Назначением контроллера интерфейсов в предложенной полезной модели является создание контроллера интерфейсов локального сервера и интерфейса удаленных пользователей для распределения доступа к сети приборов учета между ними с использованием программных средств. Контроллер предназначен как для непосредственного осуществления сбора данных, так и для обеспечения цели по контролю доступа к линии связи приборов учета при единовременном их пользовании. Предложенный контроллер способен работать в единой системе с системами учета и с системами контроля доступа.
В известных системах для многочисленных одновременных групповых связей традиционно используют беспроводные телекоммуникационные устройства связи, которые содержат звуковое или световое устройство, показывающее, что оператору в данный момент предоставляется возможность переключения многочисленных связей с одной линии связи на другую, например, путем нажатия кнопки управления - «нажать».
Так известно изобретение «Система и способ для многочисленных одновременных групповых связей в беспроводной системе», патент RU 2 425 461, опубл. 27.03.2010, MI1K H04L 29/06, конвенционный приоритет 17.02.2006, публикация US 11/357,267, в котором для одной связи с сервера воспроизводят одну связь с группой пользователей, для чего прерывают связь из неосновной группы связи и воспроизводят принятую связь из основной группы связи, а запрос подавления выключает из работы передачу связи с сервера на пользовательское устройство, а контроллер определяет старшинство групп, в следствие чего определяет, следует ли воспроизводить связь из основной группы связи либо из неосновной группы связи. Система дает возможность беспроводному устройству одновременно контролировать многочисленные группы связи, однако пользователь не может прерывать текущего подключенного абонента.
Однако невозможно осуществить по управляемое переключение от одного интерфейса локального сервера к другому интерфейсу для работы с ЭВМ пользователя.
Известно изобретение «Способ инициализации беспроводных устройств для считывания показаний счетчиков и устройство для его осуществления», патент RU 2 484 585, опубл.10.06.2013, МПК H04B 7/14, содержащий передачу команды инициализации последующему устройству считывания, с переходом в режим сна на время, по истечении соответствующего времени осуществляется возврат в режим произвольного пробуждения, имеет свои внутренние часы, а сама переходы осуществляют в режим сна на время. Относится к области телекоммуникаций. Однако приходится устанавливать периоды пробуждения до одного часа. При этом невозможно достичь требуемых показателей по минимизации энергопотребления при периодах пробуждения до одного часа. Проблема заключается в том, что для передачи данных по цепочке ретрансляторов требуется несколько секунд. Способ позволяет сформировать команду инициализации, несущую информацию о текущем времени, однако необходимо использования несколько микроконтроллеров в системах для выполнения функций прибора учета энергоресурсов. Кроме того, областью применения является непосредственный учет энергоресурсов, а не контроль доступа.
Известно изобретение «Концентратор данных потребления электроэнергии в сетях среднего и низкого напряжения цифрового района электрических сетей», патент RU191 691, опубл.15.08.2019, МПК H04L 12/66, H04B 3/54, содержащий микроконтроллер, часы реального времени, внешний компьютер, модуль Ethernet, интерфейс RS-485, модуль GSM, центр сбора данных. Концентратор обеспечивает передачу данных по проводному интерфейсу PLC, используя линии электропередачи распределительной сети передачи электроэнергии среднего напряжения 20-6 кВ для электропитания подстанций и линии электропередачи 0,4 кВ для связи с приборами учета электроэнергии абонентов, а также в повышении надежности приема данных за счет параллельной передачи данных по радиоканалу. Однако относится к межсетевым соединительным устройствам и системам передачи данных по линиям энергоснабжения и предназначен для снятия показаний с приборов учета, а не для контроля доступа к ним.
Известна полезная модель «Терминал связи», патент RU98 285, опубл.10.10.2010 МПК G07C 11/00, содержащий плату терминала, плату индикации, управляющий микроконтроллер, интерфейс RS-232, антенно-фидерное устройство и модуль питания.Терминал относится к электронике и может быть использована для сбора и передачи измерительной информации от приборов учета электроэнергии и использования этих данных в автоматизированных системах контроля и учета. Однако отсутствует в коммуникаторе электрическая схема контроля целостности линий связи подключенных каналов телесигнализации, что не позволяет контролировать доступ линий связи каналов к телесигнализации. Система только обеспечивает оповещение оператора в случае обрыва линий связи. Кроме того, предназначена для сбора данных, а не для контроля доступа.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Модем-коммуникатор для систем учета энергоресурсов», патент RU145 406, опубл.20.09.2014, МПК H04L 12/66, содержащий микроконтроллер, часы реального времени, модуль Ethernet, модуль GSM, обеспечивающий связь по интерфейсу. Однако имеет другое назначение и относится к средствам связи для передачи информации с приборов учета энергоресурсов. Несмотря на то, что он может быть использован для подключения приборов учета энергоресурсов к сетям передачи данных автоматизированных систем, он не обеспечивает контроля доступа к линии связи приборов учета для единовременного пользования.
На промышленных объектах большую значимость имеют приборы учета, которые преобразуют и накапливают в своей памяти данные результатов измерений. Для получения доступа к этим данным широко применяются последовательные интерфейсы связи (USB, RS-232/422/485), с помощью которых приборы учета объединяются в единую сеть. При этом доступ к такой сети в один момент времени имеет только одна программа, которая работает с локального сервера промышленного объекта. Современный уровень развития телекоммуникационных технологий позволяет организовать удаленное подключение к сети приборов учета программными средствами пользователя, находящегося вне промышленного объекта. Однако при этом возникает проблема (см. Фиг.1) распределения доступа к сети приборов учета между программными средствами локального сервера и удаленного пользователя.
Изобретательской задачей предложенной полезной модели является предоставление возможности с помощью контроллера интерфейсов распределять доступ к сети приборов учета между интерфейсом локального сервера и интерфейсами удаленных пользователей, которые в свою очередь подключены к контроллеру по отдельным интерфейсам связи.
Решение задачи должно состоять в том, чтобы отказаться от последовательного соединения интерфейсов и предоставить возможность доступа удаленного пользователя по его требованию, для этого требуется отключить с помощью контроллера доступ локального сервера и переключить с помощью контроллера на доступ к сети приборов учета удаленного пользователя. После завершения работы пользователя требуется возвратить с помощью контроллера доступ к сети приборов локальному серверу.
Техническим результатом заявленного решения является то, что достигается возможность управляемого по алгоритму переключения от интерфейса локального сервера, например, USB, к интерфейсу, например, Ethernet, для работы с ЭВМ пользователя.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что контроллер интерфейсов с каналами связи содержит часы реального времени, модуль Ethernet, модуль GSM и обеспечивает связь по интерфейсу.
Новым является то, что контроллер интерфейсов содержит каналы связи со стороны сервера и со стороны пользователя, использующие протоколы TCP и UDP, соединенный с внешним источником питания постоянного тока с выходным напряжением 5В. Контроллер содержит микрокомпьютер, снабженный операционной системой, обеспечивающей схему передачи данных единовременно только из одного входного интерфейса в выходной, карту памяти, на которой записаны текущие данные о местоположении контроллера, дата и время наступления события об установке соединения пользователем (включения/отключения пользователя), преобразователь интерфейсов между USB или UART в RS-485 GPS-модуль, передающий на контроллер данные о местоположении этого контроллера и антенну для GPS-модуля. Все части контроллера интерфейсов размещены в корпусе или нескольких корпусах с возможностью синхронизации даты и времени путем подключения к NTP-серверу. При этом нормальным состоянием канала связи и входного интерфейса со стороны пользователя является неактивное, нормальным состоянием канала связи и входного интерфейса со стороны сервера является активное, а активация канала связи со стороны пользователя обеспечивает активацию входного интерфейса со стороны пользователя и деактивацию входного интерфейса со стороны сервера до наступления любого из событий, при котором канал связи со стороны пользователя деактивируется пользователем или время подключения входного интерфейса со стороны пользователя превышает установленный лимит по времени соединения пользователя, заданный программой контроллера при одновременной деактивации входного интерфейса со стороны пользователя и активации входного интерфейса со стороны сервера.
В частном случае часть программы контроллера реализована как отдельный TCP/IP-сервер, который постоянно ожидает установки соединения от пользователя. Номер TCP/IP-порта, по которому пользователь будет устанавливать соединение, назначен в программе контроллера заблаговременно. На аппаратном уровне в качестве микрокомпьютера возможно использовать модель Raspberry Pi3 Model B. В качестве карты памяти предпочтительно использовать, например, модель Samsung EVO Plus 64-ГБ-класс-10 либо карту памяти формата Micro SD с высокоскоростными характеристиками ввода-вывода данных.
В частном случае исполнения контроллера используют в качестве GPS-модуля - модель ET-332 или GPS-модуль с подключением его к контроллеру через интерфейс UART или USB, при этом GPS-модуль через разъем подключают к внешней антенне.
Также возможно, например, в качестве антенны для GPS-модуля использовать модель Антей 902/9 dBi или внешнюю антенну с адаптированным разъемом под антенну GPS-модуля.
Таким образом, посредством выходного интерфейса, например, RS-485 контроллера возможно переключить входной интерфейс USB локального сервера на входной интерфейс Ethernet средств пользователя (ЭВМ) для связи с сетью приборов учета, в частности, этим предоставляется возможность пользователю подключиться на ограниченное время к любому прибору учета, подключенному к контроллеру по интерфейсу RS-485 по востребованию пользователя. В частности, на микропроцессоре контроллера может быть выделен отдельный TCP/IP-сервер для принятия соединения от интерфейса пользователя программными средствами, работающий в режиме ожидания входящего TCP/IP-соединения по заранее выделенному номеру порта преобразователя.
Реализована цель по контролю доступа к линии связи приборов учета для единовременного пользования, в отличии от непосредственного сбора данных, как у известных аналогов.
Техническое решение иллюстрируется чертежами, которые не исчерпывают всех возможных конструктивных вариантов соединения частей контроллера интерфейсов
На Фиг. 1 - показана традиционная схема соединения приборов учета
На Фиг. 2 - показана принципиальная схема подключения предложенного контроллера интерфейсов
На Фиг. 3 - показана структурная схема работы контроллера интерфейсов
На Фиг. 4 - показана аппаратная схема контроллера интерфейсов
Важно отметить, что предложенная схема подключения контроллера интерфейсов не является единственной и при необходимости имеется возможность задействовать другие последовательные интерфейсы контроллера, такие как SPI и UART. Направление передачи данных в схеме также можно поменять, например, не обязательно использовать только из USB в RS-485, можно и наоборот. Все изменения в схеме осуществляются в настройках программы контроллера.
В контексте данной заявки использована следующая терминология:
поз. (1) - Входной интерфейс со стороны сервера, которым может быть, например, интерфейс USB
поз. (2) - Входной интерфейс со стороны пользователя, которым может быть, например, интерфейс Ethernet или GSM-модем
поз. (3) - Выходной интерфейс со стороны приборов учета, которым может быть, например, интерфейс RS-485 или интерфейс USB
Всего у контроллера имеются следующие интерфейсы: поз. (4) - Ethernet, поз. (5) - UART или - SPI, поз. (6) - USB. Для подключения преобразователя RS-485 (7) задействуют интерфейс UART (5) или один из интерфейсов USB (3).
,
В контроллере интерфейсов имеются часы реального времени (условно не показаны), модуль GSM с антенной (8), микрокомпьютер (9), карта памяти (10)преобразователь интерфейсов (11)
Контроллер интерфейсов подключен к NTP- серверу (12), локальному серверу (13), компьютеру пользователя (14).
Предпочтительная компоновка контроллера представляет из себя следующую схему.
На основании корпуса крепят плату микрокомпьютера Raspberry Pi3 Model B, на плату микрокомпьютера Raspberry Pi3 Model устанавливают плату преобразователя интерфейсов RS485 Shield с помощью предусмотренных на обоих компонентах разъемов. Со стороны разъема male припаивают к GPS-модулю ET-332 на контактном разъеме IDC. Контакты модуля соединяют с контактами питание и контактами передачи данных, Tx и контактами земля, GND. Присоединяют антенну Антей 902/9 dBi к разъему GPS-модуля ET-332, устанавливают GPS-модуль ET-332 в верхней части корпуса с помощью встроенных на корпусе засечек. Подсоединяют GPS-модуль ET-332 к контактам микрокомпьютера Raspberry Pi3 Model посредством разъема female, скрепляют основание корпуса с верхней частью до щелчка. Подсоединяют шнур блока питания к микрокомпьютеру Raspberry Pi3 Model B.
Микрокомпьютер (9) обеспечивает схему передачи данных единовременно только из одного входного интерфейса (1) в выходной (3).
Нормальным состоянием канала связи и входного интерфейса (1) со стороны пользователя является неактивное.
Нормальным состоянием канала связи и входного интерфейса (2) со стороны сервера является активное.
Активация канала связи со стороны пользователя приводит к активации входного интерфейса (1) со стороны пользователя и деактивации входного интерфейса (2) со стороны сервера. Так продолжается до выполнения одного из событий:
- либо канал связи со стороны пользователя деактивируется;
- либо превышен лимит по времени соединения пользователем (лимит соединения задается в программе контроллера).
При этом, происходит деактивация входного интерфейса (1) со стороны пользователя и активация входного интерфейса (2) со стороны сервера.
С помощью GPS-модуля (8) контроллер получает данные о своем местоположении.
Контроллер имеет возможность синхронизировать свою дату и время, подключаясь к NTP-серверу (12).
Данные о местоположении и дата и время контроллера используются для ведения журнала событий об установке соединения пользователем размещенного на карте памяти (10).
В качестве карты памяти может быть также использована либо модель Samsung EVO Plus 64-ГБ-класс-10, либо любая карта памяти формата Micro SD, которая обладает высокоскоростными характеристиками ввода-вывода данных.
В качестве GPS-модуля может быть использована модель ET-332 или любой GPS-модуль, который имеет возможность подключаться к контроллеру через интерфейс UART (5) или USB (6). При этом GPS-модуль (8) должен обладать возможностью и разъемом для подключения внешней антенны.
В качестве антенны для GPS-модуля (8) может быть использована модель Антей 902/9 dBi или любая антенна, подходящая к типу разъема для антенны GPS-модуля (8).
Возможно различное конструктивное исполнение контроллера серверов и его расположение в корпусе или в нескольких корпусах в зависимости от применяемых моделей вторичных компонентов (GPS-модуль, GPS-антенна, преобразователь), поскольку их включение в корпус или вне корпуса, а также используемые для этого интерфейсы, могут изменяться.
Модуль интерфейсов работает следующим образом.
Основная функция контроллера состоит в динамическом связывании одного из входных интерфейсов (1): USB или Ethernet с выходным интерфейсом (3) RS-485. Тем самым для контроллера существует только две схемы связи: "из USB в RS-485" и "из Ethernet в RS-485". Во избежание коллизий связи контроллер устанавливает одновременно только одну из этих схем. По умолчанию контроллером установлена схема связи "из USB в RS-485". По умолчанию канал Ethernet является выделенным каналом для ожидания входящих соединений от пользователя. Единовременно по каналу Ethernet может быть установлено только одно соединение. Единственно возможным событием, при котором схема меняется с "из USB в RS-485" на "из Ethernet в RS-485", является установка внешнего соединения по каналу Ethernet от пользователя (14). После разрыва связи по Ethernet контроллер устанавливает схему "из USB в RS-485". Контроллер оснащен GPS-модулем (8) и регулярно получает данные о своем местоположении. Контроллер настроен на регулярную синхронизацию своих часов реального времени с удаленным NTP-сервером (12).
Основными техническими характеристиками контроллера интерфейса в предпочтительном варианте реализации являются следующие характеристики:
- Питание контроллера осуществляется от внешнего источника питания постоянного тока с выходным напряжением 5 В. - Параметры работы интерфейсов USB (полудуплекс): скорость обмена из ряда: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/сек;
- количество стартовых бит - 1; 8 бит данных/1 стоповый бит или 8 бит данных/2 стоповых бита; без контроля чётности.
- Параметры работы интерфейсов RS-485 (полудуплекс): скорость обмена из ряда: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/сек;
- количество стартовых бит - 1; 8 бит данных/1 стоповый бит или 8 бит данных/2 стоповых бита; без контроля чётности;
- Параметры работы по Ethernet-каналу: скорость передачи - 10 Мбит/с; full-duplex;
- используемые протоколы: TCP, UDP;
- Время технической готовности прибора к работе после включения питания не превышает 70 с.
При работе контроллера интерфейсов сначала осуществляют:
1. Включение контроллера. Контроллер запускается автоматически при подаче на него электропитания. Порядок запуска контроллера, как и у обычного ПК, обусловлен загрузкой операционной системы "Raspberry" (Linux). После завершения загрузки операционной системы, автоматически запускается программа управления контроллером.
2. Связь входного и выходного интерфейсов. Контроллер связывает входной и выходной интерфейсы программным способом. В зависимости от схемы, программа прослушивает текущий активный входной интерфейс: USB или Ethernet, и в случае получения данных от активного интерфейса отправляет их в интерфейс RS-485, а полученные ответные данные с RS-485 отправляет обратно в активный интерфейс. Структурная схема работы контроллера представлена на Фиг. 3.
3. Реализация цели схемы связи "из USB в RS-485". На локальном сервере работают программные средства сбора и хранения результатов измерений, которые регулярно считывают данные с сети приборов учета. Эти программные средства рассчитаны на самостоятельную автономную работу по заранее настроенному расписанию и каналам связи. Причем программные средства локального сервера монополизируют каналы связи, с которыми работают, и не позволяют другим программным средствами использовать эти каналы связи. Локальный сервер не знает о существовании контроллера в качестве посредника и действует так, будто работает с сетью приборов учета напрямую.
4. Реализация передачи данных по схеме связи "из USB в RS-485". Для программы контроллера эта основная рабочая схема. Входной интерфейс USB соединен с локальным сервером, а выходной интерфейс RS-485 соединен с сетью приборов учета. Локальный сервер регулярно передает на входной интерфейс USB контроллера запросы на получение данных для приборов учета. Задача контроллера принять данные с USB, передавать в RS-485 и проконтролировать правильность приема данных от локального сервера к каждому прибору учета.
5. Реализация цели схемы связи "из Ethernet в RS-485". Для каждого прибора учета от его разработчиков есть программные средства, которые позволяют пользователю удаленно контролировать и корректировать работу прибора учета. Однако интерфейс RS-485 для связи с прибором учета является последовательным, то есть доступ к нему возможен единовременно либо для локального сервера, либо для программных средств пользователя. Контроллер решает проблему следующим образом. Так как большую часть времени контроллер работает с локальным сервером, то для него выделили основную схему "из USB в RS-485". Однако для пользователя предоставлена возможность соединяться с любым прибором учета, подключенным к контроллеру по RS-485, по востребованию на непродолжительное время с помощью схемы "из Ethernet в RS-485", при активации которой поток данных начинает передаваться не от локального сервера, а от программных средств пользователя. После закрытия программных средств пользователя контроллер снова переключается на схему "из USB в RS-485"
6. Реализация передачи данных по схеме связи "из Ethernet в RS-485". Для программы контроллера эта особая рабочая схема, которая активируется только по востребованию от пользователя. Для принятия соединения от программных средств пользователя на контроллере выделен отдельный TCP/IP-сервер, который постоянно ждет входящего TCP/IP-соединения по заранее выделенному номеру порта. Как только TCP/IP-сервер контроллера принимает TCP/IP-соединение по выделенному порту, он сразу же переключает схему связи "из Ethernet в RS-485", тем самым переключая поток данных от программных средств пользователя на интерфейс RS-485. Попытки установить другие соединения с TCP/IP-сервером контроллера при уже установленном соединении окончатся неудачей. Более того, основная схема "из USB в RS-485" не заработает, пока с контроллером будет установлено TCP/IP-соединение, что может представлять собой проблему если недобросовестный пользователь не завершит работу своих программных средств и оставит соединение с контроллером на продолжительное время. Для решения этой проблемы максимальная длительность сеанса TCP/IP-соединения с контроллером ограничена 60 минутами, по истечении которых TCP/IP-соединение будет разорвано изаработает схема "из USB в RS-485".
7. Данные о местоположении. В качестве дополнительной функции контроллер регулярно собирает информацию о своем местоположении. Эта возможность особенно полезна при работе контроллера на движущихся платформах, таких как железнодорожный состав.
8. Реализация синхронизации времени. При возникновении событий на уровне операционной системы ведутся записи о них с точной привязкой к дате и времени возникновения. Однако часы реального времени по ходу своей работы постепенно отклоняются от общемирового времени и требуют корректировки. Для этого контроллер периодически связывается через сеть интернет с NTP-сервером, берет точное общемировое время и корректирует свои часы реального времени.
Таким образом обеспечена возможность управляемого по алгоритму переключения от интерфейса локального сервера, например, USB, к интерфейсу, например, Ethernet, для работы с ЭВМ пользователя.