Универсальный радиоконтроллер с автономным питанием для беспроводного сбора и передачи данных телеметрии счетчиков и датчиков

Полезная модель одновременно относится к области информационных и коммуникационных технологий, специально предназначенных для интернета вещей IoT (internet of tings) для автоматизации и диспетчеризации коммунальных услуг, например водоснабжения.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в автоматизированном, автономном, беспроводном, универсальном, комплексном и достоверном учете и контроле систем водоснабжения и водоотведения, а именно сбор, хранение и передача данных счетчиков воды с импульсным интерфейсом, включая комбинированные/двухходовые, мониторинг и сигнализация внешних датчиков температуры и давления воды, а также срабатывания «охранных» датчиков затопления/протечки, открытия/закрытия люков, дверей подвалов или узлов водоснабжения.
Уровень техники
Известны аналоги LPWAN (англ. Low-power Wide-area Network) радиоконтроллеров для энергоэффективной сети дальнего радиуса действия на основе технологии LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT, предназначенные для сбора и передачи данных телеметрии счетчиков и датчиков с автономным источником питания. В LPWAN радиоконтроллерах данных систем на уровне архитектуры предусмотрено накопление и передача данных по настроенному расписанию и внеочередная передача данных в случае возникновения нештатных событий, например, срабатывание датчика. Основной расход энергии автономного источника питания приходится на работу трансивера (радио приёмопередатчика) в момент передачи данных на LPWAN шлюз (базовую станцию) и прослушивание радиоэфира после передачи данных в течение 1-2 секунд с целью получения данных от системы (шлюза), например, настроек периода передачи данных, синхронизация времени, подтверждения об успешном получении преданных данных (квитирование). Остальное время трансивер находится в режиме сна (отключен) для экономии энергии автономного источника питания. Также для экономии энергии автономного источника питания, к вышеупомянутым LPWAN устройствам, предусмотрено подключение (интеграция) ограниченного (обычно не более 4) количества однотипных устройств (счетчиков, датчиков).
Недостатком LPWAN радиоконтроллеров LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT является отсутствие технической возможности принудительного опроса и считывания текущих и/или накопленных данных в любое произвольное время, так как трансивер радиоконтроллера находится в спящем режиме или отключен подавляющее количество времени, согласно соответствующим спецификациям. Данный факт значительно уменьшает функциональные возможности, удобство эксплуатации, оперативность получения данных, в том числе при пусконаладочных работах и плановом обслуживании/диагностике данных LPWAN радиоконтроллеров.
Наиболее близким техническим решением на основе технологии LoRaWAN является счетчик импульсов Вега СИ-11 (https://iotvega.com/product/si11) предназначенный для выполнения подсчёта электрических импульсов, приходящих на 4 независимых входа, с последующим накоплением и передачей этой информации в сеть LoRaWAN. Любые из четырёх входов могут быть настроены на использование в качестве охранных (датчик протечки/затопления, открытия/закрытия дверей и люков и другие, генерирующие электрический импульс срабатывания). Счётчик импульсов используется для сбора показаний с приборов учёта коммунальных ресурсов и промышленного оборудования с импульсным выходом, таких как водосчётчики, электросчётчики, теплосчётчики, расходомеры. Элементом питания для счётчика служит батарея (3,6В, Li-SOCL2) ёмкостью 3600 мАч. Данное устройство по спецификации LoRaWAN относится к классу А (автономное питание), и как следствие трансивер отключён большую часть времени для экономии батареи. К основным функциональным возможностям относится: сохраняет непреданные пакеты данных (очередь пакетов, не архивы данных); измеряет и передает температуру внутри микроконтроллера, при этом подключение внешних датчиков температуры не предусмотрено. Период выхода на связь - раз 5, 15, 30 минут/ 1, 6, 12 или 24 часа; период накопления показаний - раз в 5, 15, 30 минут/ 1, 6, 12 или 24 часа. При этом чем чаще период выхода на связь, тем меньше время автономной работы; выход на связь при сработке охранных входов; измерение и передача заряда встроенной батареи.
Недостатком LPWAN радиоконтроллера Вега СИ-11 (LoRaWAN), для систем водоснабжения и водоотведения является подсчет импульсов счетчика воды без преобразования в литры самим контроллером - преобразование происходит на стороне сервера системы, и как следствие отсутствие хранения текущих показаний счетчика в литрах и возможности хранения архивов (годовых, месячных, суточных, часовых) показаний счетчика в случае утери, повреждения или искажения данных на сервере системы. Другим очевидным недостатком является частичное или полное дублирование данных в счетчиках для автоматизированных систем контроля и учета ресурсов основополагающее требование современных программно аппаратных комплексов (ПАК).
Также отсутствует возможность автоматического суммирования показаний комбинированных/двухпроходных счетчиков воды, оснащенных двумя импульсными интерфейсами, например счетчики Groen DUAL (i), Groen DUAL (BYi), Декаст СТВК ДГ, различных диаметров 50, 65, 80, 100, 150мм. В текущих версиях совместимых серверов данная функция тоже отсутствует, например, IOT Vega Pulse (https://iotvega.com/soft/app), Nekta (https://nekta.tech/).
Также в Вега СИ-11 недостаточно встроенного датчика температуры контроллера для контроля перемерзания (размораживания) труб системы водоснабжения и водоотведения в колодцах и подвалах, так как радиоконтроллер устанавливается ближе к крышке люка для обеспечения лучшего качества радиосвязи, а коммуникации проходят в нижней части колодца на глубине 2-3 метров от крышки люка. Возможность подключения внешнего датчика температуры отсутствует.
Также отсутствует интерфейс подключения датчика давления жидкости.
Рассматриваемый аналог лишь частично решает задачи контроля и учета систем водоснабжения и водоотведения: счет импульсов счетчиков, мониторинг срабатывания охранных датчиков затопления/протечки, открытия/закрытия люка или двери. И не может быть использован для достоверного коммерческого учета воды, поскольку отсутствуют текущие показания и архивы показаний, так и в комплексной автоматизации контроля и учета узлов водоснабжения, для которой помимо учета расхода, требуется мониторинг температуры и давления жидкости в трубах с использованием одного контроллера.
Осуществление полезной модели
Указанный технический результат достигается за счёт того, что универсальный радиоконтроллер с автономным питанием для беспроводного сбора и передачи данных телеметрии счетчиков и датчиков (температуры, давления жидкости, затопления/протечки, открытия/закрытия люка или двери) по проприетарному LPWAN протоколу AURA (Advanced Universal Radio) включает в себя: химический элемент питания, рассчитанный до 10 лет автономной работы, 3,6В Li-SOCL2 или 3В Li-MnO2, радиомодуль LPWAN (Low-power Wide-area Network) для энергоэффективной сети дальнего радиуса действия с поддержкой постоянной двухсторонней связи (полудуплекс) на частоте 860-960 МГц (может быть изменен, в соответствии с требованиями радиочастотного законодательства) в составе программно-аппаратного комплекса для маршрутизации данных телеметрии и команд, через шлюз или базовую станцию, импульсные дискретные интерфейсы для подключения к импульсным счетчикам воды, включая комбированные и двухпроходные, датчики затопления или протечки, датчики открытия/закрытия люка и двери с поддержкой контроля обрыва проводов NAMUR, интерфейс подключения внешнего датчика температуры, интерфейс подключения внешнего датчика давления жидкости, модуль хранения текущих настроек радиоконтроллера, текущих данных телеметрии и архивов показаний и событий срабатывания датчиков, модуль самодиагностики, измерения заряда батареи и сигнализации низкого заряда элемента питания.
Кроме того, радиомодуль, используя проприетарный протокол, обеспечивает полуспящий энергоэффективный режим прослушивания радиоэфира на предмет поступающих команд или запросов на передачу данных телеметрии счетчиков и датчиков. Также радиоконтроллер автоматически преобразует импульсы импульсных счетчиков жидкости в показания счетчика, на основе введенных данных при настройке и вводе в эксплуатацию узла учета: начальные и текущие показания счетчика, цена импульса или коэффициент пересчета. Радиоконтроллер настраивается на работу с комбинированными счетчиками воды, имеющими два импульсных интерфейса (допускается разная цена импульса), с автоматическим суммированием показаний двух расходомеров, хранением и передачей данных каждого расходомера по отдельности и в сумме. При этом радиоконтроллер обеспечивает долгосрочное хранение и передачу архивных показаний счетчика на начало года, месяца, суток, часа обеспечивая возможность глубокой аналитики больших данных (BigData). Радиоконтроллер на основе данных текущего состояния счетчика воды (расхода) в настроенные промежутки времени, может сигнализировать о превышении номинального или максимального расхода воды, предупреждая о потенциальных авариях/порывах, протечках водопровода. Также радиоконтроллер имеет интерфейс подключения внешнего датчика температуры, с возможностью настройки периодов измерения от 1 минуты, хранения архивов текущих показаний, хранения архивов усредненной (интегрированной) температуры за час, сутки, месяц, год; настройкой порогов минимальной и максимальной температуры с немедленной отправкой данных события и записью факта в журнал событий с привязкой по времени. Кроме того, радиоконтроллер имеет интерфейс подключения внешнего датчика давления жидкости с возможностью настройки периодов измерения давления от 1 минуты, хранения архивов текущих показаний, хранения архивов усредненного (интегрированного) давления за час, сутки, месяц, год; настройкой порогов минимального и максимального давления с немедленной отправкой данных события и записью факта в журнал событий с привязкой по времени. Радиоконтроллер поддерживает возможность передачи данных телеметрии счетчиков и датчиков по принудительному запросу автономного (мобильного) шлюза без доступа к основному серверу: текущих показаний, настроек, архивов, журналов событий, обеспечивая удобное предоставление данных, в том числе обслуживающему персоналу в местах отсутствия или нестабильной связи доступа к основному серверу через интернет. Кроме того, радиоконтроллер поддерживает возможность обновления функциональной прошивки (микропрограммного обеспечения) контроллера по радиоканалу с целью исправления обнаруженных ошибок или улучшения, расширения функций радиоконтроллера.
Радиоконтроллер в составе ПАК выполняет следующие функции:
ведёт учет, хранение и передачу показаний счетчиков холодной и горячей жидкости (воды) с импульсным интерфейсом (на основе геркона) различных типов (крыльчатые, турбинные, комбинированные) и диаметров (15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 150 мм);
обеспечивает сбор, накопление, долгосрочное хранение и передачу архивных показаний счетчика на начало года, месяца, суток, часа, обеспечивая возможность глубокой аналитики больших данных (BigData на стороне сервера);
предупреждает на основе накопленных данных показаний счетчиков жидкости за большой период времени штатной эксплуатации о потенциальных авариях, протечках;
хранит архивов текущих показаний, хранения архивов усредненной (интегрированной) температуры за час, сутки, месяц, год, посредством внешнего датчика температуры, с возможностью настройки периодов измерения от 1 минуты;
настраивает пороги минимальной и максимальной температуры с немедленной отправкой данных события и записью факта в журнал событий с привязкой по времени;
создаёт события/команды другим радиоконтроллерам (устройствам), например, включение подогрева или перекрытие воды автоматической запорной арматурой;
хранит архивов текущих показаний, хранения архивов усредненного (интегрированного) давления за час, сутки, месяц, год, посредством внешнего датчика давления жидкости с возможностью настройки периодов измерения давления от 1 минуты;
настраивает пороги минимального и максимального давления с немедленной отправкой данных события и записью факта в журнал событий с привязкой по времени;
создаёт события/команды другим радиоконтроллерам (устройствам), например, срабатывание сирены или перекрытие/открытие воды автоматической запорной арматурой или включение/выключение насоса(ов).
Применение универсальных радиоконтроллеров с автономным питанием для беспроводного сбора и передачи данных телеметрии счетчиков и датчиков в автоматизированных системах контроля и учета водоснабжения и водоотведения (АСКУВиВ) в разы уменьшает расходы на пусконаладочные и монтажные работы. Один LPWAN шлюз (базовая станция) способна принимать данные телеметрии до 20000 устройств в радиусе до 10 км.
Простой монтаж радиоконтролелеров с автономным питанием исключает необходимость прокладывать провода в колодцы расположенные на проезжей части или тротуаре, а также следить за сохранностью данных проводов (порвали, перебили и т.д.).
Наличие возможности подключать, кроме счетчиков воды, все необходимые для систем водоснабжения датчики (давления, температуры, затопления/протечки, открытия/закрытия люка/двери) к одному радиоконтроллеру значительно снижает расходы на приобретение специализированных контроллеров для каждого вида датчика.
Применение в универсальных радиоконтроллерах проприетарного LPWAN протокола AURA (Advanced Universal Radio), который за счет поддержки полуспящего энергоэффективного режима прослушивания эфира, доступного в некоторых современных приёмопередатчиках (который не поддерживается в протоколах LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT), позволяет реализовывать сценарии использования для автономных устройств на батарейном питании, недоступные для существующих аналогов, поскольку подобный функционал реализуется только для устройств на постоянном внешнем питании. Наиболее востребованными сценариями такого типа является настройка контроллера с использованием радиоканала в любой момент времени по запросу от базовой станции. При этом время работы универсального контроллера при прочих равных условиях не будет существенно меньше, чем у аналогов (Lora и пр.), т.к. дополнительное энергопотребление в режиме "слушания" будет минимальным. Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает достижение технического результата, внедрение и эксплуатацию беспроводной автоматизированной системы контроля и учета водоснабжения и водоотведения.