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 условия отсутствия покрытия мобильных GSM сетей.
Известно решение, извещатель пожарный ручной адресный радиоканальный, использующее два различных по частоте радиоканала на 433 МГц и 868 МГц, один из которых может быть зарезервировано с целью повышения надежности системы в случае выхода одного из каналов из строя [патент РФ на полезную модель RU 193517].
Недостатком приведенной полезной модели является использование в качестве второго канала радиомодуль с центральной частотой 433 МГц, так как ввиду ограничений мощности связанных с регламентом об использовании радиочастотного спектра доступная мощность излучателя не позволяет достигнуть высокой дальности передачи сигнала.
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 В, цифровой вход от 0 до 36 В, частотный вход 0-1000 Гц, импульсный вход с рабочим напряжение в диапазоне от 0 до 36 В, СОМ-порты RS485 и RS232.
Основными недостатком рассмотренного решения является малый радиус действия, что требует непосредственной близости базовой станции, и возможность возникновения коллизий искажающих информацию при передаче данных по одному из радиоканалов.
Технический результат заключается в увеличении радиуса и скорости передачи данных, исключении коллизий, возникающих по причине одновременного выхода устройств в радиоэфир на одной радиочастоте.
Технический результат достигается за счет использования двух радиоканалов с центральной частотой в диапазоне 866-868 МГц и усилителей с максимальной выходной мощностью 1 Вт, что позволяет увеличить дальность передачи данных до 3 км в условиях лесистой местности при установке антенны на высоту 1 м. Управляющий микроконтроллер может быть настроен для работы устройства в качестве ретранслятора, что позволяет обеспечить работу в сетях с ячеистой структурой с неполным покрытием - MESH-сетях, обеспечивая масштабируемость сеть устройств телеметрии. Использование двух радиомодулей позволяет избежать коллизий, возникающих в результате конкурентных ответов участников во время организации сети или одновременной двунаправленной передачи данных, в два раза увеличить скорость обмена данными между участниками сети без негативного влияния на дальность связи. Решение может быть легко интегрировано в любую измерительную систему с возможностью передачи данных по интерфейсу RS485.
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 D2MG, 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 9, блоком дифференциальной линии связи RS485 18, блоком индикации обмена данных по радиоканалу 16, блоком индикации обмена данных по линии связи 17. Приемопередающий модуль 2 соединен с первым антенно-фидерным трактом 3, при этом выход приемопередающего модуля 2 подключен к блоку фильтрации выходного сигнала 4, соединенного с блоком усиления 5, в состав которого входят один или два последовательно соединенных усилителя, выход которого подключен к блоку переключения приемопередающего тракта 6, один из выходов которого подключен к антенне 8, а другой выход соединен с блоком фильтрации входного сигнала 7, выход которого подключен к входу приемопередающего модуля 2. Приемопередающий модуль 9 соединен со вторым антенно-фидерным трактом 10, при этом выход приемопередающего модуля подключен к блоку фильтрации выходного сигнала 11, соединенного с блоком усиления 12, в состав которого входят один или два последовательно соединенных усилителя, выход которого подключен к блоку переключения приемопередающего тракта 13, один из выходов которого подключен к антенне 15, а другой выход соединен с блоком фильтрации входного сигнала 14, выход которого подключен к приемопередающему модулю 9.
Адаптивное устройство передачи данных технологических процессов в условиях самоорганизации сети работает следующим образом: микроконтроллер 1 задает центральную частоту работы приемопередающих модуле 2 и 9 в пределах от 866 до 868 МГц, с полосой от 10,5 кГц до 500 кГц. Приемопередающие модули 2 и 9 могут быть настроены как на одну частоту, так и на разные с минимальным шагом равным 10,5 кГц.
Полезные данные, сформированные в микроконтроллере 1, передаются на вход радиомодуля 2, где происходит их преобразование, и частотно-модулированный сигнал с выхода радиомодуля 2 поступают на вход антенно-фидерного тракта 3. Где сигнал с блока фильтрации выходного сигнала 4 поступает на вход блока усиления 5, с выхода которого поступает на вход блока переключения приемопередающего тракта 6, который настроен на передачу сигнала от блока усиления 5 к антенне 8. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 16.
В случае получения радиосигнала антенной 8, 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 16.
Аналогично, сформированные полезные данные могут быть отправлены микроконтроллером 1 на вход радиомодуля 9, где происходит их преобразование, и частотно-модулированный сигнал с выхода радиомодуля 9 поступают на вход антенно-фидерного тракта 10. Где сигнал с блока фильтрации выходного сигнала 11 поступает на вход блока усиления 12, с выхода которого поступает на вход блока переключения приемопередающего тракта 13, который настроен на передачу сигнала от блока усиления 12 к антенне 15. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 16.
В случае получения радиосигнала антенной 15, сигнал по антенно-фидерному тракту 11, через блок переключения приемопередающего тракта 13, настроенный на передачу данных от антенны 15, поступает на блок фильтрации входного сигнала 14, с выхода которого поступает на вход радиомодуля 9, 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 16.
Для обмена данными микроконтроллер 1 может быть соединен с внешним устройством при помощи блока дифференциальной линии связи RS485 18. Одновременно с передачей или приемом данных микроконтроллер 1 сигнализирует об этом, обращаясь к блоку индикации обмена данных по линии связи 17.
В реализуемой полезной модели качестве управляющего микроконтроллера 1 используется 32 разрядный микроконтроллер STM32L151CCU. В качестве приемопередающих модулей 2 и 9 использованы радиомодули SX1276. Блоки фильтрации выходного 4, 11 и входного 7, 14 сигналов представляют собой цепочку LC-фильтров с полосой пропускания 866-868 МГц. Блоки усиления 5 и 12 выполнены на основе одного или двух последовательно соединенных усилителей SKY67101 с соответствующими входными фильтрами. Варьирование конфигурации блоков усиления позволяет получить мощность выходного сигнала от 0,2 Вт до 1 Вт. В качестве блоков переключения приемопередающих трактов 6 и 13 используется чип РЕ4259. Блок дифференциальной линии связи RS485 18 основан на базе микросхемы МАХ485. Блок индикации обмена данных по радиоканалу 16 представляет собой двухцветный светодиод. Во время отправки данных приемопередающими модулями 2 и/или 9 светодиод моргает одним цветом, во время приема данных - другим, при отсутствии данных светодиод не горит. Блок индикации обмена данных по линии связи 17 представляет собой двухцветный светодиод. Во время отправки данных блоком дифференциальной линии связи RS485 18, светодиод моргает одним цветом, во время приема данных - другим, при отсутствии данных светодиод не горит.