Многофункциональный сенсорный модуль спутниковой радионавигации

Полезная модель относится к области радиопеленгации, а именно к спутниковым радионавигационным системам и может быть использована для определения местоположения, а также других параметров, таких как температура, ускорение, целостность конструкции.
Известен прибор для получения данных о местоположении /1/. Для этого используется ГЛОНАСС (GNSS) приемник, а также управляющий системой микроконтроллер. Помимо этого, присутствует цепь стабилизации напряжения до 3,3 В, необходимых для работы устройства. Информация поступает в прибор и из него посредствам нескольких разъемов, которые, также дают возможность изменять программу для работы устройства.
У этого решения есть ряд недостатков: Отсутствие возможности автономной работы, возможность внешнего вмешательства и перепрограммирование работы устройства, отсутствие защиты от перепадов температуры, особенно продолжение функционирования при температурах ниже нуля. Помимо этого, дополнительных функций, помимо спутниковой навигации у данного решения нет.
3
Также известен прибор/2/. В данном решении присутствует GNSS/GPS модуль для определения местоположения, GSM-модуль для передачи данных, акселерометр, учитывающий ускорения устройства, а также аккумулятор на 4,5 мА⋅ч. Устройство имеет два яруса, на которых располагаются печатная плата и питающие элементы. Идея автора также заключается в минимизации объема модуля, объем модели составляет 105 см. Помимо этого, автором указывается альтернативная версия полезной модели с кнопкой тревоги и датчиком температуры. Это дает понимание, что система разрабатывалась, в том числе, для охранных целей.
Проблемы данного решения - слабый уровень противодействия изменяющейся температуре. Модуль способен работать лишь в рамках заложенных в аппаратную часть крайних значений функционирования, без возможных доработок в этой области.
Задачей полезной модели является расширение спектра рабочих температур сенсорного модуля, вплоть до -55 градусов Цельсия.
Для этого была предложена полезная модель многофункционального сенсорного модуля спутниковой радионавигации, содержащего микроконтроллер, модуль спутниковой связи, модуль мобильной связи, акселерометр, отличающийся от прототипа тем, что дополнительно содержит блок стабилизации температуры, содержащий две группы резисторов - первая для управления плечами моста Уитстона, вторая - для фактического обогрева, операционного усилителя и одного или двух силовых транзисторов, что дает возможность не допускать падение температуры ниже заявленных рабочих температур элементов модуля.
Приемник спутниковой связи имеет возможность работать с такими спутниковыми системами, как GLONASS, GPS, Galileo, QZSS, SBAS (WAAS, EGNOS, GAGAN, MSAS). Это дает возможность максимально стабильной работы в условиях отключения или отсутствия получения сигнала с приоритетных датчиков. Также в рамках устройства присутствует антенна, которая закрепляется внутри корпуса, что делает ее крепление более надежным и неподверженным внешним факторам.
В устройстве в качестве управляющей схемы используется микроконтроллер, который производит все вычисления, прием, передачу и аккумулирование данных, полученных от датчиков.
GSM модуль способен как получать данные, например настройки, чтобы изменять параметры работы устройства, так и передавать полученные от микроконтроллера данные с датчиков либо сигналы тревоги. GSM модуль работает на частотах 850, 900, 1800, 1900 МГц. Для этого модуля также используется антенна.
Особенностью модуля является наличие блок стабилизации температуры, что дает возможность использования устройства в крайне низких температурах, а с учетом положительных температур прибор работает в рамках -55…+60°С. Особенностью блока также считается его автономная работа относительно всей остальной схемы. То есть не обязательна постоянная работа функциональной части сенсорного модуля, для работы блока стабилизации температуры.
На фиг. 1 показана структурная схема функционирования модуля, где:
1-антенна модуля мобильной связи,
2 - модуль мобильной связи,
3 - антенна модуля спутниковой связи,
4 - модуль спутниковой связи,
5 - энергонезависимая Flash-память,
6 - аккумулятор,
7 - блок стабилизации напряжения,
8 - микроконтроллер,
9 - акселерометр,
10 - блок стабилизации температуры,
11 - датчик температуры.
На фиг. 2 представлена структурная схема блока стабилизации температуры (10), где
12 - первое плечо моста Уитстона,
13 - второе плечо моста Уитстона,
14 - операционный усилитель,
15 - силовые транзисторы,
16 - резисторы большой мощности.
Управление системой происходит помощью микроконтроллера (8).
К нему по информационным каналам подключены модуль спутниковой навигации(4), модуль мобильной связи (2), а также их антенны (3,1 соответственно). Помимо этого, к микроконтроллеру подключен акселерометр (9), передающий показания о наличии ускорений устройства. Присутствует энергонезависимая Flash-память (5), в которую записывается информация, поступающая с датчиков в рамках модуля и внешних источников. Также в рамках модуля используется датчик температуры. Весь модуль питается от аккумулятора (6), энергия с которого подается в блок стабилизации напряжения (7). Особенностью модуля является блок стабилизации температуры (10), который также рассмотрен на фигуре 2.
В его рамках присутствуют два плеча моста Уитстона (12,13). Далее находится операционный усилитель (14), и группа силовых транзисторов (15). Нагрев происходит помощью резисторов большой мощности (16).
Функционирование модуля базируется на работе микроконтроллера, который управляет всеми периферийными устройствами и датчиками. В рамках модуля присутствуют датчик температуры, акселерометр. Есть возможность подключения внешних датчиков по шине I2C.
При большом массиве данных используется Flash-память на 64 МБ (или 32 МБ), которая дает возможность записи в 2048 (или в 1024 при 32 МБ памяти) раз больше, чем в микроконтроллер. По расчетам при использовании стандартного размера переменной в 4 байта есть возможность сделать запись 16 миллионов событий (8 миллионов при 32 МБ памяти).
При наличии, например, 8 датчиков (3 оси акселерометра, внутренний датчик температуры, уровень заряда, 3 внешних датчика температуры) и частоты записи в 0,5 с дает возможность накапливать данные в течение 291 ч, для полной записи Flash-памяти, а затем их перезаписывать, оставляя в памяти 291 (145 при 32 МБ памяти) ч предыдущей работы устройства.
В рамках модуля используется модуль спутниковой связи, который имеет возможность получать данные со спутников GLONASS, GPS, Galileo, QZSS, SBAS (WAAS, EGNOS, GAGAN, MSAS). При отсутствии приоритетного спутника в зоне досягаемости микроконтроллер дает команду на переключение на другой тип спутников. Это позволяет получать данные с высокой стабильностью.
Для передачи полученной и накопленной информации используется модуль мобильной связи GSM, работающий на частотах 850, 900, 1800, 1900 МГц. В рамках полезной модели задумана передача данных в рамках зашифрованных текстовых сообщений. Помимо вышеизложенного благодаря GSM-модулю возможна смена настроек во время работы модуля.
В соответствии с поставленной задачей в рамках сенсорного модуля присутствует блок стабилизации температуры. Он состоит из двух плечей моста Уитстона. В одно из плеч вставляется терморезистор, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры окружающей его среды. При достижении порога температуры сопротивление падает настолько, что общее сопротивление плеча становиться меньше общего сопротивления второго плеча. Это создает небольшую разницу в напряжении между этими плечами. Операционный усилитель, установленный далее, меняет режим работы, переключаясь в другое состояние. Напряжение попадает на группу силовых транзисторов, которые открываются и ток, проходя через резисторы большой мощности, нагревают модуль. При этом с учетом конструкции, модуль становится способным обеспечить разницу температур между внешней средой и температуру внутри устройства. В связи с этим достигается основная задача модуля - функционирование в широком диапазоне рабочих температур.
В рамках устройства применяется алюминиевый корпус марки сплава ADC-10 (JIS), который также препятствует подверженности внешним воздействиям. Данная марка алюминия является аналогом ENAC-AISi9Cu3(Fe), прочность на растяжение которой - 240 МПа. Данное решение делает очень устойчивой от внешних воздействий авторское решение. Помимо этого, решение обладает защитой от пыли и воды на уровне IP67.
Техническую и экономическую целесообразность решения иллюстрирует пример: при попадании прототипа в температурный диапазон от -30°С и ниже (в зависимости от используемой компонентной базы) прибор не сможет поддерживать безошибочную функциональность, а после достижения -40°С свою функциональность вообще. В отличие от него описываемая полезная модель, при достижении температур ниже -30°С начинает реагировать на это, а именно начинает реагировать блок стабилизации температуры. Работа блока повышает/поддерживает общую температуру модуля для полноценного безошибочного функционирования.
Источники информации:
1. Патент РФ №71489
2. Патент РФ №193444 - прототип