МНОГОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к системам навигации, охраны и мониторинга подвижных объектов с помощью спутниковой связи, а именно к многоканальным системам контроля местоположения объекта и может применяться в различных областях деятельности, в которых требуется контроль за передвижением и местоположением мобильных объектов посредством регистрации информации о маршруте движения объекта и других его параметрах. Такие системы используют навигационную технологию GPS или ГЛОНАСС, а также технологию беспроводной передачи данных (GSM, Wi-Fi, спутниковая и.т.д.).
Известна система контроля местоположения объекта (патент РФ на полезную модель №103686), выполненная в виде абонентского телематического терминала с GSM/УКВ модемом, который предоставляет субъекту (пользователю), имеющему в своем распоряжении устройство мониторинга и специальное программное обеспечение (ПО), навигационную информацию о подвижном объекте с установленным на него навигационным оборудованием (телематическим терминалом) в любой момент времени. Предоставление навигационной информации, отображаемой на электронной карте местности, происходит с использованием ресурсов сети Интернет и телематического сервера как без посредничества диспетчерских служб, так и с их задействованием.
Недостатком данного аналога является то, что система использует только GSM/УКВ канал передачи данных. Применение одной лишь GSM/УКВ беспроводной системы связи (далее БСС) снижает надежность системы и оперативность решения навигационных задач. Кроме того, доступность данных в такой системе сильно зависит от наличия ретрансляторов GSM или приемопередатчиков УКВ, что ограничивает сферы применения данной системы.
Наиболее близкой к заявленной модели является система контроля местоположения объекта с использованием глобальной навигационной спутниковой системы, описанная в патенте РФ на полезную модель №99643, которая содержит установленный на подвижном объекте навигационный двухсистемный ГЛОНАСС+GPS приемник с антенной и вычислительный блок, а также диспетчерский пункт с персональным компьютером, причем подвижный объект снабжен устройством для передачи информации по БСС каналам и переносным запоминающим устройством с возможностью его подключения к персональному компьютеру диспетчерского пункта, при этом последний снабжен приемником информации по Wi-Fi, Bluetooth, 3-G ИК и/или WiMax (LTE) каналам БСС и устройством, считывающим информацию с переносного запоминающего устройства. Данная система выбрана в качестве прототипа предложенной полезной модели.
Система прототип лишена недостатков описанного выше аналога, за счет использования нескольких типов беспроводных систем связи (система контроля местоположения объекта). Недостатком системы прототипа являются недостаточное удобство пользования вследствие одновременного наличия беспроводных систем связи нескольких типов, не все из которых могут быть необходимы пользователю. То есть, пользователь приобретает систему с ненужными ему типами беспроводных систем связи не имея возможности самостоятельно сконфигурировать их количество и тип.
Задачей предложенной полезной модели является создание многоканальной системы контроля местоположения объекта с повышенным удобством пользования и функциональностью, а именно с наличием у пользователя возможности самостоятельно изменять тип GPS/ГЛОНАСС модуля а также тип и количество модулей беспроводной связи (БСС) за счет расположения GPS/ГЛОНАСС модуля и модулей беспроводной связи (БСС) на отдельных платах, присоединяемых к основной плате посредством электрического разъема.
Поставленная задача решена путем создания многоканальной системы контроля местоположения объекта, включающей в себя диспетчерский пункт и подвижный объект, оснащенный бортовым блоком, который имеет основной модуль, содержащий основную плату, включающую в себя микроконтроллер и модуль БСС, выполненный с возможностью передачи данных о местоположении подвижного объекта, при этом в диспетчерском пункте установлен компьютер, содержащий, по меньшей мере, один модуль БСС, выполненный с возможностью приема данных о местоположении подвижного объекта отличающейся тем, что основной модуль дополнительно содержит навигационную плату, включающую в себя ГЛОНАСС/GPS модуль с антенной, и, по меньшей мере, одну плату БСС, включающую в себя модуль БСС, соединенные с основной платой посредством электрического разъема.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы бортовой блок имеет дополнительный модуль, соединенный с основным модулем посредством электрического разъема и содержащий базовую плату и, по меньшей мере, одну плату БСС, включающую в себя один модуль БСС и соединенную с базовой платой посредством электрического разъема.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы БСС выбраны из набора БСС, содержащего Radio, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, спутниковая.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы модуль БСС, расположенный на основной плате, выполнен в виде GSM-модема с антенной.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы основная плата также включает в себя драйвер питания, соединенный с бортовой сетью подвижного объекта и выполненный с возможностью формирования значений напряжения, необходимых для питания элементов бортового блока; цепь заряда, соединенную с резервным аккумулятором; энергонезависимую FLASH-память, выполненную с возможностью хранения данных, формируемых бортовым блоком; модуль входов/выходов, выполненный с возможностью контроля состояния и измерения параметров внешних устройств и механизмов, а также с возможностью управления различными исполнительными устройствами и устройствами оповещения; порт USB; модуль 1 - WIRE, выполненный с возможностью подключения по шине 1 - WIRE датчиков, измеряющих температуру, а также с возможностью подключения считывателей электронных ключей; интерфейс RS-485; блок CAN, выполненный с возможностью получения по шине CAN подвижного объекта более точных данных о скорости, движению, остановкам, расходу топлива и другим данным по сравнению с данными о скорости, поступающими от ГЛОНАСС/GPS модуля, и данными о расходе топлива со стандартных резистивных датчиков топлива.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы базовая плата включает в себя цепь защиты/стабилизации/преобразования питания, вход которой соединен с бортовой сетью подвижного объекта, а выход с цепью заряда, вход которой соединен с резервным аккумулятором, а выход с преобразователями напряжения, выходы которых связаны, по меньшей мере, с одной платой БСС, соединенной с базовой платой посредством разъемного соединения, которая соединена с преобразователем интерфейсов RS-485 - RS-232, который связан с основной платой.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы подвижным объектом является транспортное средство или человек.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы микроконтроллер выполнен с возможностью шифрования данных.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы она дополнительно содержит внешний блок шифрования, подключаемый к микроконтроллеру через интерфейс SPI и выполненный с возможностью шифрования данных, передаваемых модулями БСС бортового блока, при этом диспетчерский пункт содержит блоки расшифровывания, выполненные с возможностью расшифровывания данных, принимаемых модулями БСС компьютера диспетчерского пункта.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы основной модуль дополнительно содержит тревожную кнопку, соединенную с основной платой посредством электрического разъема и выполненную с возможностью извещения диспетчерского пункта о чрезвычайном происшествии.
В предпочтительном варианте осуществления предложенной системы дополнительно содержит гарнитуру Hands free, подключаемую к основному или дополнительному модулю и выполненную с возможностью инициации вызова к диспетчерскому пункту и ответа на вызов диспетчерского пункта человеком посредством нажатия на кнопку гарнитуры.
Для лучшего понимания предложенной полезной модели далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1. Функциональная схема варианта выполнения многоканальной системы контроля местоположения объекта согласно полезной модели.
Фиг.2. Структурная схема варианта выполнения основного модуля многоканальной системы контроля местоположения объекта согласно полезной модели.
Фиг.3. Функциональная схема варианта выполнения основного модуля многоканальной системы контроля местоположения объекта согласно полезной модели.
Фиг.4. Структурная схема варианта выполнения дополнительного модуля многоканальной системы контроля местоположения объекта согласно полезной модели.
Фиг.5. Функциональная схема варианта выполнения дополнительного модуля многоканальной системы контроля местоположения объекта согласно полезной модели.
Фиг.6. Схема подключения основного и дополнительного модулей многоканальной системы контроля местоположения объекта согласно полезной модели.
Табл. 1. Варианты конфигурации основного модуля по типу встраиваемых плат БСС согласно полезной модели.
Табл. 2. Варианты конфигурации дополнительного модуля по типу встраиваемых плат БСС согласно полезной модели.
Рассмотрим вариант выполнения предложенной многоканальной системы контроля местоположения объекта, представленный на Фиг.1-6.
Многоканальная система контроля местоположения объекта (Фиг.1) включает в себя диспетчерский пункт 1 и подвижный объект 2. В диспетчерском пункте 1 установлен компьютер 3, содержащий, модуль БСС Bluetooth, модуль БСС Wi-Fi, модуль БСС Radio и модуль БСС ZigBee. Подвижный объект 2 оснащен бортовым блоком 4, который имеет основной модуль 5 и дополнительный модуль 6. Основной модуль 5 (Фиг.2) содержит основную плату 7, а также плату 8 БСС с расположенным на ней модулем БСС Bluetooth и навигационную плату 9 с ГЛОНАСС/GPS модулем 10 с антенной 11. Плата 8 БСС и навигационная плата 9 соединены с основной платой 7 посредством электрических разъемов, вилки 12 которых расположены на плате 8 БСС и навигационной плате 9, а розетки 13 на основной плате 7.
Основная плата 7 (Фиг.3) включает в себя микроконтроллер 14, модуль 15 БСС GSM с SIM-картой 16 и GSM-антенной 17, драйвер питания 18, соединенный с бортовой сетью подвижного объекта, цепь заряда 19, соединенную с резервным аккумулятором блок энергонезависимой FLASH-памяти 20, модуль входов/выходов 21, порт USB 22, порт 1 - WIRE 23, интерфейс RS-485 24, порт CAN 25.
В случае необходимости использования нескольких беспроводных каналов передачи данных к навигационной плате 7 основного модуля 5 подключают посредством интерфейса RS-485 и электрического разъема базовую плату 26 дополнительного модуля 6 (Фиг.4-5). На базовой плате 26 дополнительного модуля 6 возможно установить две платы БСС, тем самым увеличив число беспроводных каналов передачи информации до трех. В данном варианте системы двумя платами БСС дополнительного модуля 6 являются третья плата 27 БСС с расположенным на ней модулем БСС Radio и четвертая плата 28 БСС с расположенным на ней модулем БСС ZigBee.
Базовая плата 26 дополнительного модуля 6 включает в себя цепь защиты/стабилизации/преобразования питания 29, вход которой соединен с бортовой сетью подвижного объекта 2, а выход с цепью заряда 30, вход которой соединен с резервным аккумулятором, а выход с преобразователями напряжения 31. Выходы преобразователей напряжения 31 связаны с модулем БСС Radio 32 и с модулем БСС ZigBee 33, которые имеют соответствующие антенны 34 и 35 и соединены с преобразователем 36 интерфейсов RS-485 - RS-232, который связан с основной платой 7.
Рассмотрим более подробно функционирование элементов навигационной платы 7 предложенной многоканальной системы контроля местоположения объекта (Фиг.3).
GPS/ГЛОНАСС модуль 10 позволяет вычислять текущие координаты и скорость подвижного объекта 2 в реальном масштабе времени в автономном режиме, формировать секундную метку времени и обмениваться с внешним оборудованием по последовательным портам RS232. Принцип действия GPS/ГЛОНАСС модуля 10 основан на параллельном приеме и обработке 24-мя измерительными каналами сигналов навигационных КА КНС ГЛОНАСС в частотном диапазоне L1 и GPS на частоте L1 (C/A код). GPS/ГЛОНАСС модуль 10 выдает навигационные сообщения с темпом 1 или 5 Гц. Навигационные сообщения поступают из GPS/ГЛОНАСС модуля 10 в микроконтроллер 14 для дальнейшей обработки по бинарному коммуникационному протоколу обмена данных.
GSM-модем 15 предназначен для передачи информации через каналы сотовой связи GSM. Для работы данного модуля необходима внешняя GSM-антенна, подключаемая к SMA-разъему Переносного модуля. Идентификация контроллера в сети GSM, а также доступ к услугам и сервисам, предоставляемым оператором сотовой связи, осуществляют с помощью SIM-карты 16, устанавливаемой в специальный слот.GSM-модем 15 играет в предложенной системе коммуникационную роль и выполняет следующие функции:
- обеспечивает доступ и идентификацию устройства в сети сотовой связи стандарта GSM с помощью SIM-карты;
- обеспечивает отправку исходящих и прием входящих звонков, реализует функцию голосовой связи между водителем подвижного объекта 2, диспетчером диспетчерского пункта 1 и другими абонентами сети GSM;
- осуществляет обмен информационными и управляющими SMS-сообщениями, USSD-запросами (контроль состояния лицевого счета);
- обеспечивает обмен данными между микроконтроллером 14 бортового блока 4 и компьютером 3 диспетчерского пункта 1 по протоколу TCP/IP через сеть Интернет с помощью технологии пакетной передачи данных GPRS.
GSM модуль 15 установлен на отдельной плате (GSM плате), которая как и навигационная плата 9 при необходимости может быть извлечена и заменена.
Микроконтроллер 14 является центральным, основным элементом бортового блока 4, обеспечивающим взаимосвязь и управление всей системой. Его процессор обеспечивает скорость и точность достаточную для решения навигационных задач и функционирования всей системы. Работа микроконтроллера 14 обеспечивается программой, написанной на языке нижнего уровня. В основные задачи управления микроконтроллера 14 входят:
- конфигурирование режима работы GPS/ГЛОНАСС модуля 10 и прием его навигационных сообщений, проверка достоверности посылки (путем сравнения значений контрольных сумм);
- прием, обработка сообщений GSM модуля 15, проверка наличия и качества GSM сигнала, отправка навигационных определений, состояний, параметров цифровых и аналоговых входов/выходов 21, величины остатка заряда резервного аккумулятора и др. данных с помощью GSM-модуля 15, а также взаимодействие с другими модулями беспроводной системы связи;
- взаимодействие с внешней FLASH-памятью 20 (запись, чтение, перезапись);
- управление зарядом аккумуляторной батареи, получение данных о величине остаточного заряда резервного аккумулятора;
- контроль состояния датчика вскрытия корпуса, управление светодиодными индикаторами;
- обработка входных сигналов аналоговых датчиков, контроль и управление дискретными входами/выходами устройства;
- обмен данными через RS-232, RS-485, 1-WIRE, CAN, USB интерфейсы бортового блока.
Микроконтроллер 14 посредством набора специальных команд получает необходимые данные о координатах, векторе скорости, точном времени и др. параметрах объекта. Полученную информацию микроконтроллер 14 передает посредством GSM, Wi-Fi, ZigBee, Radio, Bluetooth БСС модулей соответствующим БСС модулям компьютера 3 диспетчерского пункта 1, а, в случае отсутствия беспроводной связи, резервирует данные во внешней FLASH-памяти 20 («режим черного ящика») и при восстановлении связи повторяет попытку передачи. На следующем этапе происходит обмен данными по определенному протоколу между клиентом (эту роль играет бортовой блок 4) и компьютером 3 диспетчерского пункта 1.
Драйвер питания 18 формирует необходимые значения напряжения питания для элементов бортового блока 4. В нем присутствуют защитные цепи, предохраняющие компоненты изделия от перенапряжения, приложения обратного напряжения, помех и др. факторов.
С драйвером питания 18 соединена цепь заряда 19 резервного аккумулятора, которая при пропадании основного источника (бортовой сети) автоматически питает бортовой блок 4 от резервного аккумулятора. В случае наличия основного питания, цепь заряда 19 одновременно заряжает резервный аккумулятор и питает компоненты бортового блока 4. В качестве резервного аккумулятора возможно использование аккумулятора на литиево-ионных батареях (Li-ion). Данный тип аккумуляторов обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с другими: относительно низкое время быстрого заряда, достаточно широкий диапазон рабочих температур, высокая энергетическая плотность.
Энергонезависимая FLASH-память 20 является наиболее подходящим модулем, обеспечивающим хранение информации в бортовом блоке 4, так как данный тип памяти обладает большим количеством циклов перезаписи; FLASH-память 20 позволяет хранить сравнительно большие объемы информации; данные сохраняются даже после выключения питания, что делает возможным использование бортового блока 4 в режиме «черного ящика». В случае заполнения всей памяти, наиболее старые записи заменяются новыми (принцип кольца).
Посредством модуля входов/выходов 21 осуществляют контроль состояния и измерение параметров внешних устройств и механизмов, а также для управления различными исполнительными устройствами и устройствами оповещения.
Одним из интерфейсных модулей в бортовом блоке 4 является порт USB 22. Его используют для выполнения следующих задач:
- первоначального конфигурирования бортового блока 4: в бортовой блок 4 отправляют такие параметры как IP адреса и порты компьютера 3 диспетчерского пункта 1, с которым следует установить соединение, темп выдачи навигационных определений; производят настройку необходимых для выполнения конкретной задачи дискретных и аналоговых входов и выходов;
- считывания информации из FLASH-памяти 20 в режиме работы бортового блока 4 «черный ящик»;
- обновления программного обеспечения нижнего уровня (написанного на языках нижнего уровня) микроконтроллера 14.
- использования бортового блока 4 в режиме работы «GPS-мышь»: полученные навигационные определения, параметры и состояния датчиков и модулей системы передают в компьютер 3 через USB порт 22.
Порт 1 - WIRE 23 предназначен для соединения с шиной 1 - WIRE 23, к которой подключают ряд датчиков, измеряющих температуру (цифровые термометры, измерители параметров внешней среды). Кроме того, шина 1 - WIRE позволяет подключать считыватели электронных ключей-идентификаторов iButton, устройства считывания ключей и карточек, что дает возможность идентифицировать и контролировать водителей, пассажиров подвижного объекта 2 по наличию индивидуальных ключей или карточек.
Интерфейс RS-485 24 играет большую роль среди всех интерфейсов бортового блока 4, т.к. значительное количество существующих датчиков подвижных объектов (автомобилей) 2 имеет именно такой интерфейс подключения. Например, его часто применяют в датчиках уровня топлива.
Порт CAN 25 предназначен для соединения с шиной CAN подвижных объектов (автомобилей) 2, которая предоставляет более точные данные о скорости, движению и остановкам, расходу топлива и другим данным по сравнению с данными о скорости, поступающими от GPS/ГЛОНАСС модуля 10, и расходу топлива со стандартных резистивных датчиков топлива. С помощью шины CAN возможно получение следующей информации о работе подвижного объекта (автомобиля) 2: скорости, уровня топлива в баках, полном весе автомобиля, моточасах, температуре двигателя, нагрузке по осям автомобиля, расстоянию до очередного сервисного обслуживания, оборотах двигателя, температуре охлаждающей жидкости, масла и топлива, положению педали газа, состоянию круиз - контроля и многие других параметрах.
Бортовой блок 4 содержит также часы реального времени с энергонезависимым питанием от батареи-таблетки. Периодически (каждую секунду) часы автоматически синхронизируются со значением времени, полученным от GPS/ГЛОНАСС модуля 10 (если есть различия).
GPS/ГЛОНАСС модуль 10 использует питание батареи-таблетки для сохранения настроек в его внутренней FLASH-памяти, а также для сохранения навигационных данных и параметров решения навигационной задачи (эфемериды, альманахи).
Предложенная многоканальная система контроля местоположения объекта мониторинга использует технологию A-GPS, которая позволяет существенно (до нескольких секунд) сократить время до первого определения местоположения подвижного объекта 2 и повысить точность решения навигационной задачи. Реализация данной технологии в предложенной системе заключается в процессах получения навигационных поправок с помощью GSM модуля с интернет сайта, их дальнейшем преобразовании и передаче по специальному протоколу GPS/ГЛОНАСС модулю 10 и использование последним полученной информации в навигационных расчетах.
Совместное использование в предложенной системе сигналов обеих навигационных систем GPS и ГЛОНАСС позволяет увеличить точность, надежность и достоверность принимаемых данных в условиях неуверенного приема (наличия теней от строительных конструкций и инженерных сооружений).
Принцип многомодульности аппаратной части, положенный в задачу предложенной многоканальной системы контроля местоположения объекта, заключается в построении системы, состоящей из двух модулей, основного и дополнительного, один из которых, основной является автономным, а также в использовании присоединяемых плат с навигационным модулем или модулями БСС.
Принцип универсальности аппаратной части, положенный в задачу предложенной многоканальной системы контроля местоположения объекта, заключается в возможности использования при выборе типа беспроводной системы связи (БСС) любой из плат БСС согласно Таблицам 1 и 2.
Принципы многомодульности и универсальности, а также большой ассортимент различных плат БСС позволят применять предложенную систему в широком спектре задач, где требуется использование различных видов связи.
Полученные от бортового блока навигационные определения анализируют с помощью программного обеспечения предложенной многоканальной системы контроля местоположения объекта с целью решения задач контроля за соблюдением маршрутов, прохождением контрольных точек, выполнением подвижными объектами их функциональных задач.
Использование нескольких каналов передачи данных БСС одновременно позволяет использовать предложенную систему в приложениях, требующих непрерывного, независящего от загруженности и доступности сети передачи информации, контроля за подвижным объектом.
В случае наличия у пользователя уже функционирующей сети БСС, набор встраиваемых модулей БСС предложенной системы, включающий в себя большинство существующих типов БСС, с большой степенью вероятности содержит модуль БСС с технологией, имеющейся у пользователя, что позволит избежать задержек и затрат на построение необходимой сети связи.
Использование платы БСС со спутниковой связью IRIDUIM в совокупности с другими беспроводными системами связи отличает данное устройство от многих других аналогов. Спутниковая система передачи данных дает значительный прирост надежности системы, обеспечивает непрерывную и надежную связь с объектом на всей территории земного шара. Связь доступна на 100% поверхности Земли, включая оба ее полюса, Северный и Южный, не имеет "белых пятен" ни на море, ни на суше. Малые задержки прохождения сигнала и большая зона покрытия обусловлены уникальной архитектурой системы спутниковой связи, в которой 77 спутников движутся по низким орбитам (780 км).
Набор плат БСС в предложенной системе состоит из шести наименований, что дает возможность пользователю выбрать наиболее подходящие для него варианты. В наборе плат БСС содержатся наиболее распространенные и широко применяемые в различных сферах деятельности беспроводные системы связи.
Принципы универсальности и многомодульности предложенной системы дают пользователю возможность в кротчайшие сроки произвести простую и быструю замену одних беспроводных систем связи другими (нужно лишь заменить соответствующие платы).
Отличительной чертой предложенной системы является возможность одновременного или выборочного использования нескольких независимых каналов передачи данных БСС, что обеспечивает возможность применения системы даже в самых требовательных к надежности приложениях.
Предложенная система контроля местоположения объекта на основе предлагаемой реализации аппаратной часта, в совокупности с комплексом соответствующего программного обеспечения обеспечивает решение задач контроля за перемещением и текущим местоположением таких подвижных объектов как часовые, мобильные группы, группы быстрого реагирования, специальный, служебный транспорт, потенциально опасные особо охраняемые грузы и материалы, инкассаторские автомобили.
Хотя указанный выше вариант выполнения полезной модели был изложен с целью иллюстрации настоящей полезной модели, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящей полезной модели, раскрытой в прилагаемой формуле полезной модели.