ПОЛНОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СТАНДАРТА ZIGBEE

Полезная модель относится к технике беспроводной связи, а именно к полнофункциональным устройствам беспроводной самоорганизующейся сети Zigbee с возможностями работы в качестве координатора, маршрутизатора, ретранслятора и оконечного устройства, имеющим возможность подключения по стандартным интерфейсам к устройствам пользователя и к сетям передачи данных общего пользования, в частности для организации сбора и передачи информации с первичных приборов учета электроэнергии, воды, газа, тепла, т.е для организации автоматизированных систем коммерческого или технического учета энергии и других ресурсов.
Известно устройство (int.spb.ru/products/zb-controller.ru.html) сбора и передачи информации с первичных приборов учета энергии с выдачей этой информации в проводную сеть Ethernet, которое содержит различные интерфейсы для подключения к внешним устройствам и сети Ethernet, микроконтроллер, цепи питания. Недостатками устройства является необходимость подведения большого количества протяженных кабелей от первичных приборов учета ресурсов и сети Ethernet и сети питания, а так же большие габариты, масса и стоимость.
Известно другое устройство (int.spb.ru/products/zb-askue.ru.html) для сбора и передачи информации со счетчиков электроэнергии с выдачей этой информации в беспроводную сеть ZigBee, которое содержит интерфейс RS485, числоимпульсные входы для подключения счетчиков электроэнергии, радиомодуль ZigBee со встроенным микроконтроллером, схемы питания. Недостатками устройства является наличие только двух типов интерфейсов, что ограничивает номенклатуру подключаемых приборов и невозможность подключения к сетям общего пользования.
Наиболее близким техническим решением к данной полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является полнофункциональное устройство беспроводной сети ZigBee, выполненное в виде модуля (RC2301, Radiocrafts, www.gaw.ru/pdf/radiocrafts/rc230x datasheet 1 1.pdf), который содержит антенну, встроенный микроконтроллер типа «система на кристалле» (схема приведена в источнике СС2430, Texas Instrments, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf), включающий радио-приемо-передатчик, два интерфейса UART (RS232 с уровнями ТТЛ), а так же DEBUG интерфейс (выводы DD, DC и RESET) для записи и отладки программ пользователя. Выводы интерфейсов и питания встроенного микроконтроллера являются входами/выходами устройства.
Устройство предназначено для работы в качестве встраиваемого в оборудование пользователя полнофункционального устройства беспроводной сети ZigBee. Недостатками устройства являются отсутствие стандартных интерфейсов для связи с удаленными внешними устройствами, отсутствие интерфейса для связи с проводными и беспроводными сетями общего пользования (Ethernet, GSM), узкий диапазон напряжения питания, а так же необходимость наличия у пользователя специальных программно-аппаратных средств поддержки программирования и отладки программ для этого устройства. На фиг.1 приведена структурная схема этого устройства.
Технической задачей данной полезной модели является создание полнофункционального устройства беспроводной сети ZigBee, обеспечивающего стандартные интерфейсы связи с широкой номенклатурой серийно выпускаемых внешних устройств или групп устройств (в частности первичных измерительных приборов учета ресурсов: счетчиков воды, тепла, газа, электроэнергии, термометров сопротивления, расходомеров, а так же исполнительных устройств (угловые и линейные актуаторы, приводы заслонок, промышленные контроллеры), обеспечивающего возможность подключения к сети передачи данных по силовым линиям электропитания (PLC), а так же к проводным и беспроводным сетям общего пользования (Ethernet, GSM), обеспечивающего при этом универсальность в отношении источника питания и позволяющего пользователю программировать и конфигурировать устройство и сеть с помощью простых диалоговых программ с любого компьютера, имеющего порт USB.
Поставленная задача достигается тем, что в полнофункциональное устройство для беспроводной сети передачи данных стандарта Zigbee, содержащее антенну, соединенную с встроенным микроконтроллером, содержащим в своем составе радио-приемопередатчик, первый и второй интерфейсы UART и DEBUG интерфейс, снабженный соответственно входами RESET и DC и выводом DD, согласно заявляемой полезной модели, введены микроконтроллер, снабженный выходами GPIO и содержащий соответственно интерфейсы Ethernet, CAN, USB и I2C, первый, второй, третий и четвертый интерфейсы UART и интерфейс SPI, снабженный выходами MOSI и SCK и входом MISO, а также введены трансивер интерфейса RS485, преобразователь уровня интерфейса RS232, стабилизатор напряжения и мультиплексор, снабженный входами управления, входом питания, входом SIA, выходом S2A и выводом DA, при этом выводы первого интерфейса UART встроенного микроконтроллера подключены соответственно к выводам первого интерфейса UART микроконтроллера, один из выходов GPIO микроконтроллера и выход SCK интерфейса SPI подключены соответственно к входам RESET и DC DEBUG интерфейса, выход MOSI и вход MISO интерфейса SPI подключены соответственно к входу S1A и выходу S2A мультиплексора, а вывод DD DEBUG интерфейса - к выводу DA мультиплексора, входы управления мультиплексора подключены соответственно к другим выходам GPIO микроконтроллера, выводы второго и третьего интерфейсов UART микроконтроллера подключены соответственно к выводам трансивера интерфейса RS485 и преобразователя уровня интерфейса RS232, другие выводы которых, и выводы интерфейсов CAN, Ethernet и USB микроконтроллера являются выводами устройства, выход стабилизатора напряжения подключен к входам питания встроенного микроконтроллера, микроконтроллера, трансивера интерфейса RS485, преобразователя уровня интерфейса RS232 и мультиплексора, вход стабилизатора напряжения является входом питания устройства.
Поставленная задача так же достигается тем, что в устройство введены выпрямитель, предназначенный для питания от сети переменного тока, зарядное устройство и аккумулятор, при этом выход выпрямителя через зарядное устройство соединен с входом стабилизатора напряжения и аккумулятором.
Кроме того, устройство характеризуется тем, что в него введен модем PLC для передачи данных по силовым линиям сети переменного тока, снабженный интерфейсом I2C, выводом PL и входом питания, при этом выводы интерфейса I2C модема PLC подключены соответственно к выводам интерфейса I2C микроконтроллера, вывод PL модема PLC соединен с входом выпрямителя, а вход питания - с выходом стабилизатора напряжения.
Кроме того, в устройство введен модем GSM, снабженный интерфейсом UART и входом питания, выводы интерфейса UART подключены соответственно к выводам четвертого интерфейса UART микроконтроллера, а вход питания - к выходу стабилизатора напряжения.
В устройство также дополнительно введен приемник GPS/ГЛОНАСС, снабженный интерфейсом UART и входом питания, при этом выводы интерфейса UART приемника GPS/ГЛОНАСС подключены соответственно к выводам второго UART встроенного микроконтроллера, а вход питания - к выходу стабилизатора напряжения.
Системное программное обеспечение встроенного микроконтроллера и введенного микроконтроллера позволяет с помощью прилагаемых к устройству максимально простых диалоговых программ пользователю программировать и конфигурировать устройство для работы в любом из применений с любого хост-компьютера с интерфейсом USB без дополнительных аппаратных средств.
Стабилизатор позволяет осуществлять питание устройства от любого источника питания+6…+40 В.
Предлагаемое устройство может быть выполнено в виде встраиваемого модуля, или, для повышения удобства монтажа, может быть заключено в стандартный корпус с возможностью установки на DIN-рейку и снабжено клеммной колодкой для подключения внешних связей.
Для обеспечения универсальности по питанию и бесперебойности питания в устройство введены выпрямителем для питания от сети переменного тока, вход которого является входом питания устройства от сети переменного тока, зарядное устройство, вход которого подключен к выходу выпрямителя, а выход - к аккумулятору и ко входу стабилизатора питания;
Для обеспечения подключения к сети передачи данных по силовым линиям электропитания (PLC) введен модем PLC для передачи данных по силовым линиям сети переменного тока, выводы интерфейса I2C которого подключены к выводам интерфейса I2C микроконтроллера, а выводы PL - к входу выпрямителя.
Для обеспечения связи устройства с сотовой сетью GSM введен модем GSM, выводы интерфейса UART которого подключены к выводам четвертого интерфейса UART микроконтроллера.
С целью расширения функциональных возможностей, а именно, обеспечения возможности установки устройства на подвижный или труднодоступный объект и получения информации о местоположении этого объекта, в устройство введен приемник GPS/ГЛОНАСС, выводы интерфейса UART которого подключены к выводам второго интерфейса UART встроенного микроконтроллера.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.2, 3 приведены структурные схемы устройства.
Полнофункциональное устройство для беспроводной сети передачи данных стандарта Zigbee содержит (фиг.2) антенну 1, соединенную с ВЧ входом радио-приемопередатчика встроенного микроконтроллера 2, который также содержит первый и второй интерфейсы UART и DEBUG интерфейс, снабженный соответственно входами RESET и DC и выводом DD, микроконтроллер 3, снабженный выходами GPIO и содержащий соответственно интерфейсы Ethernet, CAN, USB и I2C, первый, второй, третий и четвертый интерфейсы UART и интерфейс SPI, снабженный выходами MOS и SCK и входом MISO, трансивер 4 интерфейса RS485, преобразователь 5 уровня интерфейса RS232, стабилизатор 6 напряжения и мультиплексор 7, снабженный входами управления, входом питания, входом SIA, выходом S2A и выводом DA, при этом выводы первого интерфейса UART встроенного микроконтроллера 2 подключены соответственно к выводам первого интерфейса UART микроконтроллера 3, один из выходов GPIO микроконтроллера 3 и выход SCK интерфейса SPI подключены соответственно к входам RESET и DC DEBUG интерфейса, выход MOSI и вход MISO интерфейса SPI подключены соответственно к входу S1A и выходу S2A мультиплексора 7, а вывод DD DEBUG интерфейса - к выводу DA мультиплексора 7, входы управления мультиплексора 7 подключены соответственно в другим выходам GPIO микроконтроллера 3, выводы второго и третьего интерфейсов UART микроконтроллера 3 подключены соответственно к выводам трансивера интерфейса RS485 и преобразователя уровня интерфейса RS232, другие выводы которых, и выводы интерфейсов CAN, Ethernet и USB микроконтроллера 3 являются выводами устройства, выход стабилизатора 6 напряжения подключен к входам питания встроенного микроконтроллера 2, микроконтроллера 3, трансивера 4 интерфейса RS485, преобразователя 5 уровня RS232 и мультиплексора 7, вход стабилизатора 6 напряжения является входом питания устройства.
Полнофункциональное устройство для беспроводной сети передачи данных стандарта Zigbee также дополнительно содержит (фиг.3) выпрямитель 8, предназначенный для питания устройства от сети переменного тока, зарядное устройство 9 и аккумулятор 10, а также модем 11 PLC, для передачи данных по силовым линиям сети переменного тока,, снабженный интерфейсом I2C, выводом PL и входом питания, причем, выводы интерфейса I2C модема 11 PLC подключены к выводам I2C микроконтроллера 3, вывод PL модема 11 PLC соединен с входом выпрямителя 8, а вход питания - с выходом стабилизатора 6 напряжения. Устройство также содержит модем 12 GSM, снабженный интерфейсом UART и входом питания, выводы интерфейса UART, которого подключены соответственно к выводам четвертого интерфейса UART микроконтроллера 3, а вход питания - к выходу стабилизатора 6 напряжения. Дополнительно устройство содержит приемник 13 GPS/ГЛОНАСС, снабженный интерфейсом UART и входом питания, при этом выводы интерфейса UART приемника 13 GPS/ГЛОНАСС подключены соответственно к выводам второго интерфейса UART встроенного микроконтроллера 2, а вход питания - к выходу стабилизатора 6 напряжения.
Полнофункциональное устройство для беспроводной сети передачи данных стандарта Zigbee работает следующим образом.
В обычном режиме работы, в зависимости от запрограммированной конфигурации устройства, встроенный микроконтроллер 2 осуществляет функции работы полнофункционального устройства сети ZigBee и функцию чтения навигационной информации с приемника 13, при этом он так же реализует обмен информацией с микроконтроллером 3. Микроконтроллер 3, в зависимости от запрограммированной конфигурации устройства, реализует протоколы обмена по интерфейсам CAN, RS485 - через трансивер 4, RS232 - через преобразователь 5 уровня, по силовым линиям электропитания - через модем 11 PLC, с внешними устройствами, реализует протоколы обмена с сетями общего пользования Ethernet и GSM - через модем 12, протокол обмена с внешним компьютером через интерфейс USB.
В режиме программирования к интерфейсу USB микроконтроллера 3 подключается внешний хост-компьютер, вход RESET встроенного микроконтроллера 2 устанавливается в лог. 0 сигналом на выходе GPIO микроконтроллера 3, после чего встроенный микроконтроллер 2 устанавливается в режим программирования и его системная программа может быть модифицирована с хост-компьютера через микроконтроллер 3. Системная программа микроконтроллера 3 не подлежит модификации пользователем. Конфигурирование микроконтроллера 3 производится путем запоминания полученной от хост-компьютера конфигурационной информации.
Предлагаемая полезная модель может быть запрограммирована пользователем на выполнение следующих функций:
- сбор, накопление, усреднение данных с единичных приборов с интерфейсом RS232 или с групп первичных приборов учета, объединенных интерфейсами нижнего уровня CAN или RS485, с приборов, имеющих аналоговый и числоимпульсный интерфейс, и выдачу обобщенных данных в сеть ZigBee или Ethernet;
- вычисление параметров потребления тепла по косвенным данным (температуры и расхода);
- обмен управляющей и телеметрической информацией между подключенными группами датчиков или исполнительных устройств и терминалами верхнего уровня по беспроводным сетям ZigBee и GSM, проводной Ethernet или по комбинации сетей;
- работа в качестве шлюза между сетями ZigBee, Ethernet, GSM;
- работа в качестве трекера на подвижном объекте.
Полезная модель промышленно применима, поскольку для ее создания могут быть использованы компоненты, выпускаемые серийно, и известные технологии проектирования и производства. Так, например, в качестве микроконтроллера 3 может служить микроконтроллер фирмы NXP LPC2387, (www.nxp.com/documents/data sheet/lpc2387.pdf), в качестве трансивера интерфейса RS485 - микросхема ADM2482, Analog Devices, в качестве преобразователя уровня интерфейса RS232 - микросхема ADM3222, Analog Devices, в качестве мультиплексора - микросхема ADG709, Analog Devices, в качестве стабилизатора напряжения - микросхема TPS5430, Texas Instruments, с соответствующими реактивными компонентами. В качестве зарядного устройства может быть использована микросхема BQ24040, Texas Instruments. В устройстве может быть применен литий-полимерный аккумулятор соответствующей емкости. Функция модема PLC с успехом может быть выполнена схемой на основе микросхем серии MS16/6S, Renesas Technology. В качестве модема GSM может применяться модуль SIM300DZ, SIM Technology, а в качестве приемника GPS/ГЛОНАСС-модуль СН4706 российской фирмы «Навис».