Адаптивное устройство передачи данных технологических процессов в условиях самоорганизации сети

Полезная модель относится к области автоматики, в частности к устройствам беспроводного обмена информации, позволяет обеспечить передачу данных в условиях отсутствия покрытия мобильных GSM сетей.
Известно решение, считыватель телеметрии, включающее в себя набор проводных - SPI, I2C, CAN, LAN, RS-485, RS-232 и беспроводных - IrDA, RFID, Bluetooth, WiFi интерфейсов для считывания показаний регистраторов параметров различного типа с возможностью сохранения данных на съемное энергонезависимое запоминающее устройство [патент РФ на полезную модель RU 188508].
Недостатком приведенной полезной модели является отсутствие беспроводного канала связи передачи телеметрии от считывателя на рабочее место оператора, что исключает возможность мониторинга параметров в режиме реального времени.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является модуль бесперебойной передачи цифровых данных от устройств контроля и мониторинга транспортного средства в условиях недостаточного покрытия сотовой связи GSM, радиоприемопередатчик с диапазоном рабочих частот 434 МГц и 864 МГц с радиусом действия до 600 метров [патент РФ на полезную модель RU 204906].
Модуль бесперебойной передачи цифровых данных от устройств контроля и мониторинга транспортного средства в условиях недостаточного покрытия сотовой связи GSM, включающий в себя корпус, в котором размещена печатная плата, на которой расположен управляющий микроконтроллер, дополнительно содержит GSM/GPRS модем с двумя SIM картами с возможностью выбора оператора связи и внешней антенной, который соединен по последовательному интерфейсу UART1 с микроконтроллером, GPS приемник с внутренней антенной, соединенный по интерфейсу UART2 с микроконтроллером, радиоприемопередатчик с диапазоном рабочих частот 434 МГц и 864 МГц с внешней антенной, соединенный по интерфейсу UART3 с микроконтроллером, Bluetooth модуль, соединенный по интерфейсу UART4 с микроконтроллером, устройство хранения данных на базе SD card объемом не менее 2 Гб, соединенный по периферийному последовательному интерфейсу SPI с микроконтроллером, кроме того, микроконтроллер имеет аналоговый вход с рабочим напряжением от 0 до 36 вольт, цифровой вход от 0 до 36 вольт, частотный вход 0-1000 Гц, импульсный вход с рабочим напряжением в диапазоне от 0 до 36 вольт, СОМ-порты RS485 и RS232.
Основными недостатками рассмотренного решения является малый радиус действия, что требует непосредственной близости базовой станции, и малая вариативность интерфейсов связи, что ограничивает количество возможных подключенных устройств.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении радиуса и скорости передачи данных.
Технический результат достигается за счет использования двух радиоканалов с центральной частотой в диапазоне 866-868 МГц и программного обеспечения микроконтроллера, предусматривающего одновременную работу устройства как в режиме сбора и передачи данных, так и в режиме ретранслятора, что позволяет организовать работу в сетях с ячеистой структурой с неполным покрытием - MESH-сетях, обеспечивая масштабируемость сети устройств телеметрии без внедрения дополнительных объектов сети. Использование двух радиомодулей позволяет в два раза увеличить скорость обмена данными между участниками сети без негативного влияния на дальность связи.
Для взаимодействия с различными устройствами регистрации параметров технологических процессов в полезной модели реализована возможность подключения периферийных устройств с использованием цифровых интерфейсов UART, SPI, RS458. Для приема показаний аналоговых датчиков предусмотрен интерфейс токовой петли 4-20 мА.
На фиг. 1 изображена блок-схема адаптивного устройства передачи данных технологических процессов в условиях самоорганизации сети, выполненного на единой печатной плате, которая может быть размещена в стандартных корпусах D3MG, что позволяет установить готовое изделия на DIN-рейку. Техническое решение состоит из управляющего микроконтроллера 1, цифровые выходы которого соединены с приемопередающими радиомодулями 2 и 8, блоком связи с внешними устройствами 14, состоящим из трёх цифровых блоков, таких как блок дифференциальной линии связи RS485 15, блок связи UART 16, блок связи SPI 17, и одного аналогового блока токовой петли 18, блоком индикации обмена данных по радиоканалу 19, блоком индикации обмена данных по линиям связи 20. Приемопередающий модуль 2 соединен с первым антенно-фидерным трактом 3, при этом выход приемопередающего модуля подключен к блоку фильтрации выходного сигнала 4, соединенного с блоком переключения приемопередающего тракта 5, один из выходов которого подключен к антенне 7, а другой выход соединен с блоком фильтрации входного сигнала 6, выход которого подключен ко входу приемопередающего модуля 2. Приемопередающий модуль 8 соединен со вторым антенно-фидерным трактом 9, при этом выход приемопередающего модуля подключен к блоку фильтрации выходного сигнала 10, соединенного с блоком переключения приемопередающего тракта 11, один из выходов которого подключен к антенне 13, а другой выход соединен с блоком фильтрации входного сигнала 12, выход которого подключен к приемопередающему модулю 8.
Адаптивное устройство передачи данных технологических процессов в условиях самоорганизации сети работает следующим образом: микроконтроллер 1 задает центральную частоту работы приемопередающих модулей 2 и 8 в диапазоне от 866 до 868 МГц, с полосой от 62,5 кГц до 500 кГц. Приемопередающие модули 2 и 8 могут быть настроены как на одну частоту, так и на разные с минимальным шагом, равным 62,5 кГц.
Микроконтроллер 1 получает полезные данные из блока связи с внешними устройствами 14, а именно либо из блока дифференциальной линии связи RS485 15, либо из блока связи UART 16, либо из блока связи SPI 17, либо из блока токовой петли 18, одновременно с этим сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по линиям связи 20. Полученные данные обрабатываются в микроконтроллере 1, определяется канал передачи информации. В случае выбора первого канала передачи данных информация с выхода микроконтроллера 1 передается на вход радиомодуля 2, где происходит их преобразование, и частотно-модулированный сигнал с выхода радиомодуля 2 поступает на вход антенно-фидерного тракта 3. Где сигнал с блока фильтрации выходного сигнала 4 поступает на вход блока переключения приемопередающего тракта 5, который настроен на передачу сигнала от блока фильтрации выходного сигнала 4 к антенне 7. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 19.
В случае получения радиосигнала антенной 7 сигнал по антенно-фидерному тракту 3, через блок переключения приемопередающего тракта 6, настроенный на передачу данных от антенны 8, поступает на блок фильтрации входного сигнала 7, с выхода которого поступает на вход радиомодуля 2, где преобразуется, и полезные данные поступают на вход микроконтроллера 1. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о получении данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 19. Принятая информация может быть отправлена на внешнее устройство путем передачи данных с выходов микроконтроллера на вход блока связи с внешними устройствами 14, а именно либо на блок дифференциальной линии связи RS485 15, либо на блок связи UART 16, либо на блок связи SPI 17, одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по линиям связи 20.
В случае, если после получения микроконтроллером 1 полезных данных с выходов блока связи с внешними устройствами 14 был определен второй канал для передачи информации, сформированные полезные данные передаются с выхода микроконтроллера 1 на вход радиомодуля 8, где происходит их преобразование, и частотно-модулированный сигнал с выхода радиомодуля 8 поступает на вход антенно-фидерного тракта 9. Где сигнал с блока фильтрации выходного сигнала 10 поступает на вход блока переключения приемопередающего тракта 11, который настроен на передачу сигнала от блока фильтрации выходного сигнала 10 к антенне 13. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 19.
В случае получения радиосигнала антенной 13 сигнал по антенно-фидерному тракту 9, через блок переключения приемопередающего тракта 11, настроенного на передачу данных от антенны 13, поступает на блок фильтрации входного сигнала 12, с выхода которого поступает на вход радиомодуля 8, где преобразуется, и полезные данные поступают на вход микроконтроллера 1. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о получении данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 19. Принятая информация может быть отправлена на внешнее устройство путем передачи данных с выходов микроконтроллера на вход блока связи с внешними устройствами 14, а именно либо на блок дифференциальной линии связи RS485 15, либо на блок связи UART 16, либо на блок связи SPI 17, одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по линиям связи 20.
В реализуемой полезной модели в качестве управляющего микроконтроллера 1 используется 32-разрядный микроконтроллер STM32L151. В качестве приемопередающих модулей 2 и 8 использованы радиомодули SX1276. Блоки фильтрации выходного 4, 10 и входного 6, 12 сигналов представляют собой цепочку LC-фильтров с полосой пропускания 866-868 МГц. В качестве блоков переключения приемопередающих трактов 5 и 11 используется чип PE4259. Блок дифференциальной линии связи RS485 15 основан на базе микросхемы MAX485, блок связи UART 16 и блок связи SPI 17 реализованы за счет аппаратных средств микроконтроллера 1, блок токовой петли реализован за счет измерения встроенным в микроконтроллер 1 АЦП падения напряжения на резисторе постоянного сопротивления 150 Ом. Блок индикации обмена данных по радиоканалу 19 представляет собой двухцветный светодиод. Во время отправки данных приемопередающими модулями 2 и/или 8 светодиод моргает одним цветом, во время приема данных - другим, при отсутствии данных светодиод не горит. Блок индикации обмена данных по линии связи 20 представляет собой двухцветный светодиод. Во время отправки данных блоком дифференциальной линии связи RS485 15 и/или блоком связи UART 16 и/или блоком связи SPI 17 светодиод моргает одним цветом, во время приема данных - другим, при отсутствии данных светодиод не горит. При считывании данных блоком токовой петли 18 светодиод 20 моргает тем же цветом, что и в случае приема данных любых других блоков, входящих в состав блока связи с внешними устройствами 14.