Датчик температуры, влажности и давления

Полезная модель относится к технической области измерительных приборов, в частности к датчикам температуры, влажности и давления, и может быть использована в распределенных цифровых системах экологического мониторинга с использованием протокола DALI.
Известен интеллектуальный датчик давления, температуры и влажности, состоящий из сенсора температуры, сенсора давления, сенсора влажности, цифровой схемы и визуального интерфейса (патент CN №104180850 В, опубл. 08.02.2017).
Известный датчик в достаточной степени прост и надежен. К его недостаткам следует отнести невозможность его интегрирования в распределенные цифровые системы экологического мониторинга на базе объектов освещения (дорожного, городского, сельского и т.п.) с использованием профильного для них протокола DALI.
2
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является датчик температуры, влажности и давления, содержащий цифровой атмосферный сенсор температуры, влажности и давления ВМЕ280 и микроконтроллер ESP32, соединенные системной шиной управления IC и снабженные общим источником питания (Вольтик [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://voltiq.ru/web-server-sp32-with-bme280-weather-station/, вход свободный - (10.03.2022).
Упомянутый прототип вполне функционален и прост в изготовлении и обслуживании, однако обладает существенным недостатком - он не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы мониторинга на базе объектов освещения (дорожного, городского, сельского и т.п.) с использованием профильного для них протокола DALI ввиду отсутствия у него соответствующего интерфейса. Информационно: такая распределенная цифровая система мониторинга реализована в рамках программы КУЛОН ООО «Сандракс» (www.kulon.su [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.kulon.su/catalog/products-QULON/, свободный - (10.03.2022). К преимуществам использования системы управления освещением в целях экологического мониторинга следует отнести собственно ее наличие практически повсеместно (нет необходимости создавать сеть заново), весьма широкую и плотную разветвленность, удобство размещения соответствующих датчиков на опорах, кронштейнах, панелях и т.п. освещения, ее надежность и помехозащищенность.
Технической проблемой является устранение отмеченных недостатков известных технических решений.
Технический результат заключается в обеспечении возможности использования датчика температуры, влажности и давления в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Проблема решается, а технический результат достигается тем, что датчик температуры, влажности и давления, содержащий цифровой атмосферный сенсор температуры, влажности и давления и микроконтроллер, соединенные системной шиной управления и снабженные общим источником питания, снабжен интерфейсной шиной, включающей положительный провод DALI+ и отрицательный провод DALI-, объединенный с схемной землей, а микроконтроллер содержит интерфейсные вход с включенным встроенным подтягивающим резистором и выход и снабжен входным и выходным транзисторными ключами, из которых входной ключ выполнен на биполярном n-p-n транзисторе, коллектор которого соединен с интерфейсным входом микроконтроллера с включенным встроенным подтягивающим резистором, эмиттер соединен с проводом DALI- интерфейсной шины, при этом эмиттерный переход транзистора шунтирован резистором, включенным между эмиттером и базой, а база соединена через последовательно включенные токоограничивающий резистор и стабилитрон с проводом DALI+ интерфейсной шины, а выходной ключ выполнен на полевом транзисторе n-типа, сток которого соединен с проводом DALI+ интерфейсной шины, исток соединен с проводом DALI- интерфейсной шины, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема заявленного датчика температуры, влажности и давления.
Цифровые позиции на чертеже означают следующее:
1 - интерфейсный провод DALI+;
2 - интерфейсный провод DALI-, объединенный с схемной землей GND;
3 - схемная земля (GND);
4 - шина интерфейса;
2
5 - системная шина управления IC;
6 - цифровой атмосферный сенсор температуры, влажности и давления ВМЕ280;
7 - внешнее напряжение питания сенсора (VDD);
8 - земля/корпус сенсора (GND);
9 - цифровой ввод/вывод сенсора (SDA);
10 - последовательный тактовый вход сенсора (SCL);
11 - микроконтроллер;
12 - встроенный подтягивающий резистор (PULL-UP) входа микроконтроллера;
13 - входной транзисторный ключ;
14 - биполярный n-p-n транзистор;
15 - резистор, шунтирующий эмиттерный переход биполярного транзистора;
16 - токоограничивающий резистор;
17 - стабилитрон;
18 - выходной транзисторный ключ;
19 - полевой транзистор n-типа;
20 - резистор фиксации нулевого уровня;
21 - источник питания.
2
2
В соответствии с заявленной полезной моделью, датчик температуры, влажности и давления содержит цифровой сенсор температуры, влажности и давления (ВМЕ280) 6, соединенный системной шиной управления IC 5 с микроконтроллером 11 (контакты цифрового ввода/вывода (SDA) 9 и последовательного тактового входа (SCL) 10 сенсора 6 соединены с соответствующими контактами микроконтроллера 11). Контакты внешнего напряжение питания (VDD) 7 и земли/корпуса (GND) 8 сенсора 6 и соответствующие контакты микроконтроллера 11 соединены с общим источником питания 21. Микроконтроллер 11 рекомендуется использовать типа STM32 - он совместим с большинством цифровых сенсоров по шине управления IC и, имея интерфейсный вход с включаемым встроенным подтягивающим резистором, может быть адаптирован для взаимодействия с вышестоящим контроллером по протоколу DALI описанным ниже образом. Соответственно, в качестве интерфейса использован интерфейс DALI, реализованный в шине 4, включающей первый 1 интерфейсный провод DALI+ и второй 2 интерфейсный провод DALI-, объединенный с схемной землей GND 3. Микроконтроллер 11 типа STM32, имеющий интерфейсные вход с встроенным подтягивающим резистором PULL-UP 12 и выход, снабжен взаимодействующими с ними входным 13 и выходным 18 транзисторными ключами. Входной ключ 13 выполнен на биполярном n-p-n транзисторе 14, эмиттер (здесь и далее называемые элементы транзисторов соответствуют их стандартным символам на обозначениях, использованных на представленном чертеже) которого соединен с вторым 2 проводом шины 4, коллектор соединен с интерфейсным входом микроконтроллера 11 с включенным встроенным подтягивающим резистором PULL-UP 12, а эмиттер соединен с вторым проводом 2 упомянутой шины 4, при этом эмиттерный переход транзистора 14 шунтирован резистором 15, включенным между эмиттером и базой, а база соединена через последовательно включенные токоограничивающий резистор 16 и стабилитрон 17 (информационно: последовательность установки резистора 16 и стабилитрона 17 друг за другом не существенна) с первым проводом 1 упомянутой шины 4. Выходной ключ 18 выполнен на полевом транзисторе n-типа 19, сток которого соединен с первым 1 проводом шины 4, исток соединен с вторым 2 проводом шины 4, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера 11.
Заявленный датчик температуры, влажности и давления работает следующим образом.
2
Датчик температуры, влажности и давления (множество датчиков температуры, влажности и давления) устанавливается на элементах осветительной инфраструктуры, преимущественно на опорах дорожного освещения. Опрос и сбор данных датчика температуры, влажности и давления (множества датчиков температуры, влажности и давления) осуществляется через интерфейс DALI с вышестоящего контроллера (не показан), осуществляющего одновременно и функцию управления освещением. Напомним, что интерфейс DALI представляет собой двунаправленный двухпроводный цифровой интерфейс, ориентированный для преимущественного использования в осветительной технике. DALI провода (DALI+ и DALI-) запитываются извне специальным источником питания 12-22 В с функцией ограничения тока, нормированного по величине в пределах, оговоренных в стандарте (0,25 А). По DALI проводам 1 и 2 между вышестоящим контроллером и микроконтроллером 11 датчика температуры, влажности и давления двунаправленно передаются битовые потоки данных. В свою очередь сенсор 6 соответственно измеряет температуру, влажность и давление окружающей среды. Микроконтроллер 11 периодически опрашивает сенсор 6 по системной шине управления IC 5, а сам при этом работает под управлением вышестоящего контроллера (не показан), общаясь с ним по шине 4 DALI посредством входного транзисторного ключа 13 и передавая ему измеренные значения температуры, влажности и давления посредством выходного транзисторного ключа 18. Как указывалось выше, в выходной транзисторный ключ 18 входит полевой транзистор 19 n-типа. При поступлении на затвор транзистора 19 ключа 18 от микроконтроллера 11 высокого уровня, ключ 18 открывается и замыкает провод DALI+ на GND, формируя низкий уровень на шине 4. Поскольку источник питания шины 4, как указывалось выше, имеет нормированное ограничение по току, то ток, протекающий через ключ 18, также нормирован по величине. При поступлении на затвор ключа 18 от микроконтроллера 11 низкого уровня, ключ 18 закрывается и размыкает провода DALI+ и GND, на шине 4 формируется высокий уровень. Соответственно, последовательность высоких и низких уровней (битов) образует последовательный двоичный код. Сам битовый поток формируется микроконтроллером 11. В входной ключ 13 входит биполярный n-p-n транзистор 14. При низком уровне на проводе DALI+ напряжение на базе транзистора 14 ключа 13 также низкое, ключ 13 закрыт и на интерфейсном входе микроконтроллера 11, имеющем включенную подтяжку к высокому уровню (включенный встроенный подтягивающий резистор PULL UP 12), наличествует высокий уровень. При высоком уровне на проводе DALI+, превышающем сумму напряжения стабилизации стабилитрона 17 и падения напряжения на эмиттерном переходе ключа 13, через входную цепь ключа 13 течет базовый ток, ключ 13 открыт, и на интерфейсном входе микроконтроллера 11 формируется низкий уровень. Обработка принимаемого битового потока так же осуществляется микроконтроллером 11.
Проведенные натурные эксперименты и результаты компьютерного моделирования показали, что сформированный заявленным образом в датчике температуры, влажности и давления двунаправленный цифровой интерфейс позволяет использовать заявленный датчик (множество датчиков) в распределенных цифровых системах мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI, обеспечивая требуемое качество измерений.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - обеспечение возможности использования датчика температуры, влажности и давления в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI - достигнут.