УСТРОЙСТВО СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Полезная модель относится к области телемеханики, автоматизированных систем контроля и учета энергоресурсов и может быть использована в системах сбора данных технологических процессов, диспетчерского управления, диагностического мониторинга с использованием субгигагерцовых каналов беспроводной связи в жилищно-коммунальном хозяйстве, на промышленных предприятиях и в электрических сетях.
Аналогом является устройство сбора и передачи данных, содержащее микроконтроллер, осуществляющий сбор, обработку и передачу измерительной информации при помощи модуля ввода дискретных сигналов, преобразователя сигналов интерфейса RS-485, преобразователя сигналов интерфейса RS-232, при этом устройство выполнено в виде разъемной конструкции, состоящей из электронного блока и кроссового блока для присоединения внешних устройств и питания, а все элементы устройства расположены на одной печатной плате, причем устройство снабжено преобразователем сигналов интерфейса CAN, модулем часов реального времени, сообщающим микроконтроллеру точное астрономическое время, энергонезависимой памятью большой емкости для хранения конфигурации устройства и собранной микроконтроллером информации, модулем индикации входных дискретных сигналов, индицирующим наличие входных дискретных сигналов, цепи интерфейсов и внутренние электрические цепи устройства гальванически развязаны между собой, при этом устройство снабжено модулем четырехканального аналого-цифрового преобразователя, дополнительным преобразователем сигналов интерфейса RS-485, двухканальным модулем управления внешними исполнительными устройствами с гальванической изоляцией (Полезная модель RU 66 095 U1, МПК G08C 19/00 (2006.01), опубликовано 27.08.2007).
Недостатком аналога является ограниченные функциональные возможности устройства сбора и передачи данных из-за отсутствия интерфейса USB, что усложняет его подключение к современным переносным компьютерам. Для удаленной передачи данных необходимо использовать внешний модем. В устройстве отсутствует возможность установки дополнительных интерфейсных модулей, что также снижает его функциональность и спектр применения.
Прототипом заявляемого технического решения является устройство сбора и передачи данных, применяемое в системах сбора данных по энергопотреблению в жилищно-коммунальном хозяйстве, на промышленных предприятиях и в распределительных электрических сетях (Полезная модель RU 138 005 U1, МПК G06F 19/00 (2011.01), опубликовано 27.02.2014).
Известное устройство сбора и передачи данных содержит процессор, осуществляющий сбор, обработку и передачу измерительной информации при помощи узла ввода дискретных сигналов и преобразователя сигналов интерфейса RS-485. Устройство снабжено модулем часов реального времени, сообщающим процессору точное астрономическое время, энергонезависимой памятью большой емкости для хранения конфигурации устройства и собранной процессором информации, модулем индикации входных дискретных сигналов, индицирующим наличие входных дискретных сигналов, а также жидкокристаллическим дисплеем, кнопками управления режимом отображения, преобразователем сигналов интерфейса USB, встроенным модулем GSM/GPRS, модулем дополнительного интерфейса с радиоканалами, при этом устройство выполнено в виде мезонинной конструкции, скрепленной при помощи винтовых стоек и установленной в корпус.
Недостатком прототипа является ограниченные функциональные возможности устройства сбора и передачи данных из-за отсутствия предварительной обработки данных для последующей их передачи посредством узкополосных и нелицензируемых радиоканалов связи, отсутствия  возможности осуществлять управление внешними устройствами при помощи релейных выходов, а также отсутствия синхронизации по сигналам астрономического времени GPS/ГЛОНАСС и отсутствия выхода для питания интерфейсов внешних устройств при отсутствии у них внутреннего питания собственных интерфейсов.
Задачей полезной модели является расширение арсенала технических средств устройств сбора и передачи данных.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства сбора и передачи данных.
Технический результат достигается тем, что устройство сбора и передачи данных, содержащее модуль центрального процессора управления (ЦПУ), соединенный с модулем питания и интерфейсов (ПИ), при этом модуль ЦПУ и модуль ПИ установлены в единый корпус, модуль ЦПУ содержит центральный процессор (ЦП), с которым соединены блок энергонезависимой памяти (FLASH), блок часов реального времени (RTC), преобразователь сигналов интерфейса RS-485, преобразователь сигналов интерфейса RS-232, преобразователь сигналов интерфейса USB, соединенный с разъемом USB, узел индикации входных дискретных сигналов и модуль интерфейса с радиоканалами (ИР), а модуль ПИ содержит вход интерфейса RS-485, соединенный с преобразователем сигналов интерфейса RS-485, вход интерфейса RS-232, соединенный с преобразователем сигналов интерфейса RS-232, узел ввода дискретных сигналов, соединенный с ЦП, а также блок питания, имеющий встроенный преобразователь напряжения переменного тока в постоянный, согласно настоящей полезной модели, модуль ИР выполнен с возможностью передачи данных посредством беспроводного нелицензируемого субгигагерцового радиоканала связи LoRa и с возможностью предварительной обработки данных перед их передачей по каналу связи LoRaWan, при этом модуль ЦПУ дополнительно содержит модуль релейного выхода, подключенный к ЦП, а модуль ПИ дополнительно содержит модуль GSM/GPRS со встроенным узлом GPS/ГЛОНАСС, соединенным с блоком RTC и ЦП, релейный выход, соединенный с модулем релейного выхода и импульсный вход, соединенный с ЦП.
При этом блок питания дополнительно содержит преобразователь напряжения постоянного тока 12..36 вольт в напряжение постоянного тока 3..5 вольт  и выход питания напряжением постоянного тока 12…36 вольт, подключенные к встроенному преобразователю напряжения переменного тока в постоянный.
При этом модуль ЦПУ и модуль ПИ скреплены с помощью соединительных клемм.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг.1).
На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства сбора и передачи данных:
1 – устройство сбора и передачи данных (УСПД);
2 – модуль центрального процессорного устройства (ЦПУ);
3 – модуль питания и интерфейсов (ПИ);
4 – центральный процессор (ЦП);
5 – блок энергонезависимой памяти (FLASH);
6 – блок часов реального времени (RTC);
7 – преобразователь сигналов интерфейса RS-485;
8 – преобразователь сигналов интерфейса RS-232;
9 - преобразователь сигналов интерфейса USB;
10 – разъем USB;
11 – узел индикации входных дискретных сигналов;
12 – модуль интерфейса с радиоканалами (ИР);
13 – вход интерфейса RS-485;
14 – вход интерфейса RS-232;
15 - узел ввода дискретных сигналов;
16 – блок питания;
17 – преобразователь напряжения переменного тока в постоянный;
18 – модуль релейного выхода;
19 - модуль GSM/GPRS со встроенным узлом GPS/ГЛОНАСС;
20 – релейный выход;
21 – импульсный вход;
22 – преобразователь напряжения 12..36 вольт в напряжение 3..5 вольт;
23 – выход питания напряжением постоянного тока 12..36 вольт;
24 – соединительные клеммы.
Устройство 1 сбора и передачи данных телемеханики, учета энергоресурсов и диагностического мониторинга с использованием субгигагерцовых каналов беспроводной связи (УСПД), содержит модуль 2 центрального процессора управления (ЦПУ), соединенный с модулем 3 питания и интерфейсов (ПИ), при этом модуль ЦПУ (2) и модуль ПИ (3) установлены в единый корпус.
Модуль ЦПУ (2)  содержит центральный процессор 4 (ЦП), с которым соединены блок 5 энергонезависимой памяти (FLASH), блок 6 часов реального времени (RTC), преобразователь 7 сигналов интерфейса RS-485, преобразователь 8 сигналов интерфейса RS-232, преобразователь 9 сигналов интерфейса USB, соединенный с разъемом 10 USB, узел 11 индикации входных дискретных сигналов и модуль 12 интерфейса с радиоканалами (ИР).
Модуль ПИ (3) содержит вход 13 интерфейса RS-485, соединенный с преобразователем 7 сигналов интерфейса RS-485, вход 14 интерфейса        RS-232, соединенный с преобразователем 8 сигналов интерфейса RS-232, расширяющим диапазон подключаемых к УСПД 1 устройств,  узел 15 ввода дискретных сигналов, соединенный с ЦП (4), а также блок 16 питания, имеющий встроенный преобразователь 17 напряжения переменного тока в постоянный (преобразователь 17 напряжения ~220/=12..36 В).
Отличием предлагаемогоустройства 1 сбора и передачи данных является то, что модуль ИР (12) выполнен с возможностью передачи данных посредством беспроводного нелицензируемого субгигагерцового радиоканала связи LoRa с возможностью применения сетевого протокола LoRaWAN и с возможностью предварительной обработки данных перед их передачей по каналу связи LoRaWan.
Модуль ЦПУ (2) дополнительно содержит модуль 18 релейного выхода, подключенный к ЦП (4), а модуль ПИ (3) дополнительно содержит модуль 19 GSM/GPRS со встроенным узлом GPS/ГЛОНАСС (на чертеже не показан), соединенным с блоком RTC (6) и ЦП (4), позволяющим осуществлять дополнительную синхронизацию УСПД (1) в режиме реального времени,  релейный выход 20, соединенный с модулем 18 релейного выхода и импульсный вход 21, соединенный с ЦП (4). Модуль 14 релейного выхода, соединенный с релейным выходом 15, позволяет осуществлять управление внешними подключаемыми устройствами. Импульсный вход 21, соединенный с ЦП (4), позволяет подключать устройства, оснащённые импульсным выходом, например расходомеры, импульсные счетчики электроэнергии.
При этом блок 16 питания дополнительно содержит преобразователь 22 напряжения 12..36 вольт в напряжение 3..5 вольт (преобразователь 22 напряжения 12…36/3..5 В) и выход 23 питания напряжением 12…36 вольт, подключенные к встроенному преобразователю 17 напряжения переменного тока в постоянный. Преобразователь 22 напряжения 12..36 вольт в напряжение 3..5 вольт  и выход 23 позволяют осуществлять дополнительное питание внешних устройств для получения с них данных, если в них не предусмотрено внутреннее питание, в том числе встроенных интерфейсов.
Центральный процессор 4, модуль 12 интерфейса с радиоканалами, преобразователь 7 сигналов интерфейса RS-485, преобразователь 8 сигналов интерфейса RS-232 также соединены с дополнительным преобразователем 17 напряжения ~220/=12..36 В с подключенным к нему преобразователем 22 напряжения 12…36/3..5 В.
При этом модуль ЦПУ (2)  и модуль ПИ (3) скреплены с помощью соединительных клемм 24.
Работа предлагаемого устройства сбора и передачи данных осуществляется следующим образом:
Входное напряжение 220 В 50 Гц подается на встроенный  в блок 16 питания преобразователь 17 переменного тока в постоянный (преобразователь 17 напряжения ~220/=12..36 В), где преобразуется в напряжение 12..36 В постоянного тока.
Преобразователь 22 (преобразователь напряжения 12..36 / 3..5 В) преобразует напряжение 12..36 В в напряжение в 3…5 В постоянного тока. Данное напряжение через соединительные клеммы 24 поступает на остальные составные части устройства, обеспечивая их необходимым питанием. После включения внешнего питания ЦП (4) с заданной периодичностью производит опрос по соответствующим протоколам телемеханики внешние устройства телемеханики, подключенные к входам 13 RS-485 или входам 14 RS-232 через соответствующий преобразователь 7 сигналов интерфейса RS-485 и преобразователь 8 сигналов интерфейса      RS-232. После получения данных от внешних устройств телемеханики        ЦП (4) записывает полученные данные в блок 5 энергонезависимой памяти (FLASH), снабжая их метками времени, полученных от блока 6 часов реального времени (RTC), периодически корректирующегося от модуля 19 GSM/GPRS со встроенным узлом GPS/ГЛОНАСС с внешнего сервера или глобального синхронизирующего сигнала GPS/ГЛОНАСС. Если подключённые внешние устройства телемеханики не имеют внутреннего питания или оно отключено, то их питание осуществляется от выхода 23 питания напряжением 12..36 В постоянного тока, подключенного к встроенному преобразователю 17 напряжения ~220/=12..36 В.
УСПД (1) при получении сигналов с импульсного входа 21 осуществляет запись их частоты или их количества за заданный интервал времени в блок 5 FLASH и хранит их до передачи в сеть LoRaWAN.
Периодически, согласно заранее устанавливаемому графику передачи данных в сети LoRaWAN, модуль 12 интерфейса с радиоканалами, выполненный с возможностью передачи данных посредством беспроводного нелицензируемого субгигагерцового радиоканала связи LoRa, опрашивает центральный процессор 4 и получает сохраненную информацию из блока 5 FLASH, и далее передает ее в сеть, работающую в среде радиосвязи LoRa по протоколу LoRaWAN.
Контроль изменения состояния внешних дискретных сигналов от подключенных внешних устройств телемеханики осуществляется через    узел 15 ввода дискретных сигналов, в котором дополнительно осуществляется фильтрация входных дискретных сигналов. При изменении состояния дискретных сигналов внешних устройств телемеханики, подключенных к узлу 15 ввода дискретных сигналов, центральный  процессор  4 фиксирует их состояние в блоке 5 FLASH, снабжая их метками времени, полученных от блока 6 RTC. При этом состояние входных сигналов индицируется узлом 11 индикации входных дискретных сигналов. Информация о состоянии дискретных входных сигналах подключенных внешних устройств телемеханики передается в сеть, работающей в среде радиосвязи LoRa, аналогично передаче данных, полученных от внешних устройств телемеханики по интерфейсам RS-485 или RS-232, описанной ранее.
УСПД (1) также имеет релейный выход 20, подключенный к центральному процессору 4 через модуль 18 релейного выхода, посредством которого осуществляется передача команд включения/выключения подключаемых внешних исполнительных устройств, например, различные реле (устройства освещения, охранно-пожарной сигнализации и т.д.).
УСПД (1) может подключаться к персональному компьютеру и гибко настраиваться через разъём USB (10), с которым соединен преобразователь 9 сигналов интерфейса USB.
УСПД (1) может работать в режиме двухстороннего обмена данными с удалённым сервером, посредством модуля 19 GSM/GPRS со встроенным узлом GPS/ГЛОНАСС. В данном режиме УСПД (1) постоянно находится на связи с удалённым сервером, обеспечивая круглосуточный контроль и управление внешними устройствами (приборы учёта, исполнительные устройства, устройства телемеханики).
Использование предлагаемой полезной модели позволяет расширить функциональные возможности устройства сбора и передачи данных за счет предварительной обработки данных для последующей их передачи посредством узкополосных и нелицензируемых радиоканалов связи, возможности осуществлять управление внешними устройствами при помощи релейных выходов, а также возможности синхронизации по сигналам астрономического времени GPS/ГЛОНАСС и наличия выхода для питания интерфейсов внешних устройств при отсутствии у них внутреннего питания собственных интерфейсов.