СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО СЧИТЫВАНИЯ ПОКАЗАНИЙ ДАТЧИКОВ
METHOD OF TRANSFERRING DATA FOR REMOTE READING OF SENSOR INDICATIONS

Заявляемое изобретение относится к сетям, состоящим из беспроводных приемопередающих устройств, объединяемых посредством беспроводной связи в единую сеть, а также к применяемым в этой сети методам передачи различных видов информации, получаемой от устройств считывания с датчиков, которыми могут быть различные сенсоры, счетчики электроэнергии, газа, воды и т.д., используемых для учета расхода различных ресурсов.
Известен способ передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с помощью передачи информации с индивидуальных счетчиков по каналу GSM сотовой связи, использованный в патенте на полезную модель RU № 153771, G08C 19/00, 07.10.2014 - «GSM-транслятор показаний приборов учета потребляемых ресурсов», где PIC-контроллер, вход которого соединен с источником питания 220 В/5 В, первый вход/выход соединен с, по крайней мере, одним электронным счетным устройством, на который подаются импульсы замыкания от прибора учета потребляемых ресурсов, и соединенного выходом с ЖК-дисплеем для отображения цифровых показаний электронного счетного устройства, второй вход/выход PIC-контроллера соединен с входом/выходом РППЗУ, предназначенного для хранения базы данных, содержащей номера телефонов пользователей, допущенных к получению услуги информирования о потребляемых ресурсах, третий вход/выход PIC-контроллера соединен с входом/выходом GSM-модуля, осуществляющего передачу и прием GSM-сигналов посредством соединенной с GSM-модулем выносной GSM-антенны, служащей для излучения и приема радиочастотных GSM-сигналов, а также SIM-карты, обеспечивающей связь GSM-модуля с базовыми станциями любого оператора сотовой связи, четвертый вход/выход PIC-контроллера соединен с входом/выходом автоматического таймера, выполненного с возможностью активации отправки SMS-сообщений с информацией о потребляемых ресурсах на запрограммированные в РППЗУ номера абонентов.
Недостатками этого способа передачи данных являются необходимость наличия сети GSM в месте установки счетчиков, высокая стоимость абонентского оборудования и необходимость абонентской платы за использование сети GSM.
Известен способ передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с использованием радиоканала по патенту на изобретение RU № 2455763, Н04В 7/00, G01D 4/00, 08.02.2008 - «Способ связи для дистанционного считывания показаний счетчиков», где используется сеть связи через радиоволны, при этом сеть включает в себя модули, соединенные со счетчиками, с которых производится дистанционное считывание показаний, промежуточные концентраторы, радиосвязь между которыми и модулями осуществляется в частотном диапазоне UHF, в то время, как радиосвязь между промежуточными концентраторами и главным концентратором осуществляется в частотном диапазоне VHF.
В этом способе большая дальность радиосвязи достигается за счет ретранслирования радиосигналов с большой мощностью и с переносом их в другой, более «дальнобойный» частотный диапазон VHF. Необходимость использования ретрансляторов существенно удорожает реализацию системы. Кроме того, частоты в диапазоне VHF с использованием повышенной мощности, не являются безлицензионными, и их использование требует приобретения лицензии.
Известен способ передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с использованием радиоканала по патенту на изобретение RU № 2484586, Н04В 7/24, 10.02.2012 - «Система связи для сбора данных и способ для приема данных в системе связи», заключающийся в том, что устройство - инициатор опроса передает в процессор управления запрос на выполнение опроса, процессор управления передает на распределенную сеть доставки данных, состоящую из устройств для считывания параметра, команды опроса на время, которое перекрывает период пробуждения устройств для считывания, имеющих произвольное время пробуждения; все устройства для считывания, получившие команду опроса, передают свои данные, в процессоре управления при получении данных выбирается команда от устройства для считывания по приоритету; опрошенному устройству для считывания посылается персональное подтверждение, после чего оно прекращает передачу данных, все остальные устройства для считывания продолжают передавать данные до получения персональных подтверждений; при наличии коллизии, возникающей при приеме сигналов с одинаковыми приоритетами, посылается отрицательное подтверждение, устройства для считывания, получившие отрицательное подтверждение, прекращают посылать данные и возобновляют посылку после псевдослучайной задержки.
В этом способе большая дальность радиосвязи достигается за счет ретранслирования радиосигналов с помощью соседних объектовых устройств. Недостатками являются невозможность передачи данных с удаленных объектов, при невозможности установки промежуточных ретрансляторов, а также неэффективное использования частотно-временного ресурса за счет многоступенчатой ретрансляции и возможности взаимной коллизии принимаемых сигналов.
Из известных способов передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с использованием радиоканала наиболее близким к заявляемому, является способ передачи данных от счетчиков по радиоканалу, когда базовая станция опрашивает все объекты по очереди, по принципу «запрос-ответ». Этот способ реализован в патенте на полезную модель RU № 77476, G08C 19/00, G08C 17/02, 07.04.2008 - «Автоматизированная система сбора данных о потреблении энергоресурсов за расчетный период», где компьютер - инициатор опроса, через центральное устройство приема-передачи данных передает в диапазоне радиочастот адресный запрос в сеть объектовых устройств приема-передачи данных, объектовые устройства приема-передачи данных принимают этот запрос и объектовое устройство, чей адрес совпадает с адресом в запросе, передает в диапазоне радиочастот данные связанного с ним одного или нескольких датчиков, которые принимаются центральным устройством приема-передачи данных и далее передаются в компьютер для дальнейшей обработки.
Недостатком этого способа является небольшая дальность передачи данных, связанная с ограничением на скорость передачи данных в радиоканале и, как следствие этого, невозможность получения высокой чувствительности приемника. Известно, что дальность радиосвязи в свободном пространстве определяется мощностью передатчика, чувствительностью приемника и коэффициентом усиления антенн. В используемых для этих целей диапазонах частот 433 МГц и 868 МГц мощность передатчика ограничена 10…25 мВт, размеры антенн (усиление) ограничены конструктивным выполнением устройств.
Известно, что чувствительность приемника определяется, главным образом, его полосой пропускания, которая не должна быть меньше ширины спектра передатчика. Ширина спектра передатчика, в свою очередь, определяется скоростью передачи информации, чем больше скорость передачи информации, тем шире спектр передатчика, для приема которого требуется более широкополосный приемник. Так, чувствительность любого приемника определяется минимальным уровнем S сигнала, различимого на уровне шумов.
Из радиотехники известно (И.С. Гоноровский "Радиотехнические цепи и сигналы", Учебник для вузов, Москва, "Радио и связь", 1986 г.), что величину S можно подсчитать по формуле, обобщенный вид которой может быть представлен следующим образом:
0
S=N⋅(F-1)kT⋅Δf,
где N - постоянный коэффициент - отношение сигнал/шум на входе приемника, которое необходимо обеспечить при приеме сигнала (для кодового сигнала эта величина должна быть в пределах от 5 до 10 дБ, для голосовой связи эта величина установлена равной 12 дБ);
F - коэффициент шума приемника;
-23
k - постоянная Больцмана - 1,380 6504(24)⋅10 Дж/К;
0
Т - температура окружающей среды (в градусах Кельвина);
Δf - полоса пропускания приемника.
В этой формуле все составляющие постоянны, либо (как температура) не зависят от пользователя, кроме полосы пропускания Δf.
Таким образом, реальным путем повышения чувствительности приемника является уменьшение полосы пропускания и, как следствие этого значительное увеличение дальности приема данных. На практике используется скорость передачи данных до 4800 бит/сек.
При стандартных методах модуляции (AM, ЧМ, ФМ), в этом случае, полоса пропускания приемника должна быть не менее 15 кГц, что и является реальным ограничением для дальности радиосвязи. Чувствительность приемника при этом, как правило, не лучше -120 dbm.
В этом случае, в безлицензионных диапазонах 433 МГц и 868 МГц и при мощности передатчика 10 мВт, дальность радиосвязи в условиях города не превысит 300…500 м, что в большинстве случаев мало и требуется использование большого количества ретрансляторов для охвата большой территории.
Настоящее изобретение направлено на увеличение дальности радиосвязи и, соответственно, зоны покрытия дистанционного считывания показаний датчиков.
Технический эффект при этом достигается за счет возможности значительного повышения чувствительности приемного тракта, что и позволяет значительно увеличить дальность радиосвязи и зону покрытия.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе передачи данных для дистанционного считывания показаний датчиков, заключающемся в том, что компьютер - инициатор опроса через центральное устройство приема-передачи данных передает в диапазоне радиочастот адресный запрос в сеть объектовых устройств приема-передачи данных, объектовые устройства приема-передачи данных принимают этот запрос и объектовое устройство, чей адрес совпадает с адресом в запросе, передает в диапазоне радиочастот данные связанных с ним датчиков, которые принимаются центральным устройством приемопередачи данных и далее передаются в компьютер для дальнейшей обработки, все объектовые устройства приемопередачи разбиваются на группы, адресный запрос является групповым и его передача осуществляется с использованием шумоподобных радиосигналов с расширенным спектром с коэффициентом расширения спектра более 10, группа объектовых устройств приемопередачи данных, получившая этот запрос с номером своей группы отвечает на него, причем все объектовые устройства приемопередачи данных этой группы отвечают одновременно, каждое на индивидуальной частоте внутри выделенной полосы радиочастот, используя для передачи узкополосные радиосигналы со скоростью передачи менее 480 бит/сек, центральное устройство приемопередачи данных осуществляет многоканальный прием этих сигналов в пределах выделенной полосы радиочастот, причем число каналов приема выбирается равным или большим числа объектовых устройств приемопередачи в одной группе.
Осуществление предлагаемого способа передачи тревожных сообщений по радиоэфиру поясняется на примере функционирования устройства, блок-схема которого приведена на Рис. 1.
Устройство содержит компьютер 1, к которому подключено центральное устройство приемопередачи 2, в состав которого входят передатчик ШПС 3 и многоканальный узкополосный приемник 4, сеть объектовых устройств приемопередачи 5, состоящую из k объектовых устройств приемопередачи 6, в состав каждого из которых входит узкополосный передатчик 7 и приемник ШПС 8, к каждому объектовому приемо-передатчику подключены датчики 9 - различные сенсоры, счетчики электроэнергии, газа, воды и т.д., используемые для учета расхода различных ресурсов.
Осуществляется заявляемый способ следующим образом. На компьютер 1 устанавливается специальное программное обеспечение, в соответствии с алгоритмом работы которого компьютер 1 последовательно выдает на центральное устройство приемопередачи 2 команды на адресный опрос групп объектовых устройств приемопередачи 6. Объектовые устройства приема-передачи 6 образуют сеть из k устройств, которые разбиты на m групп по n устройств. Команды на опрос групп выдаются последовательно, начиная с группы №1 и так до группы № m, затем цикл опроса периодически повторяется. В соответствии с поступающими командами, центральное устройство приемопередачи 2, через входящий в его состав передатчик ШПС 3, формирует и передает в радиоэфир адресную команду на запрос соответствующей группы из n объектовых устройств приемопередачи 6. Все приемники ШПС 8 сети объектовых устройств приемопередачи 5 принимают эту команду, и те объектовые устройства приемопередачи 6, у которых принятый адрес группы совпал с присвоенным им адресом группы, все одновременно осуществляют опрос подключенных к ним датчиков 9 и формируют ответное сообщение, которое содержит их номер в данной группе, данные со всех подключенных датчиков 9 и необходимую служебную информацию. Через узкополосные передатчики 7, входящие в состав объектовых устройств приемопередачи 6 эти сообщения передаются в радиоэфир, причем каждое на своей частоте в отведенной полосе частот, и принимаются многоканальным узкополосным приемником 4, входящим в состав центрального устройства приемопередачи 2 и после соответствующей обработки принятые данные от группы из n объектовых устройств приемопередачи 6, поступают в компьютер 1 для последующего использования и анализа. После окончания времени, отведенного на прием сообщения от объектовых устройств приемопередачи 6, компьютер 1 выдает на центральное устройство приемопередачи 2 команду на запрос следующей по порядку группы объектовых устройств приемопередачи 6 и так до группы m, после чего цикл опроса повторяется.
Увеличение дальности радиосвязи и зоны сбора данных, при дистанционном считывании показаний датчиков, достигается тем, что для передачи запросов групп объектов в направлении от центрального устройства приемопередачи 2 к объектовым устройствам приемопередачи 6 используется радиоканал с расширением спектра - с использованием шумоподобных сигналов (ШПС), что позволяет значительно увеличить чувствительность приемников ШПС 8 (Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М., «Радио и связь», 1985. - 384 с.).
При этом расширение спектра может быть достигнуто за счет использования метода прямой последовательности или метода линейной частотной модуляции (http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/210742). Оба метода хорошо изучены и широко используются на практике и их реализация в виде отдельных микросхем доступна для использования. Так, известна микросхема SX1276 фирмы Semtech, использование которой позволяет свести приемник ШПС 8 всего к одной микросхеме, что значительно упрощает и удешевляет объектовое устройство приемопередачи 6. При этом чувствительность может достигать - 148 dbm, что позволяет почти в 10 раз увеличить дальность радиосвязи и в 100 раз увеличить площадь зоны покрытия. Недостатком этого метода является резкое снижение скорости передачи информации до 50 бит/сек в канале радиосвязи, однако это не является препятствием, т.к. в направлении от центрального устройства приемопередачи 2 к объектовым устройствам приемопередачи 6 передается очень небольшой объем информации - только номер запрашиваемой группы объектовых устройств приемопередачи 6.
Для увеличения дальности радиосвязи в направлении от объектовых устройств приемо-передачи 6 к центральному устройству приемопередачи 2 используется узкополосный канал радиосвязи с шириной спектра передатчика менее 480 Гц. Как было показано выше, сужение полосы радиоканала является эффективным средством увеличения дальности радиосвязи. Так, для увеличения дальности радиосвязи в 10 раз, полоса радиоканала должна быть уменьшена не менее чем в 100 раз, а чувствительность при этом увеличится до -140 dbm. Так, при стандартной полосе пропускания приемника радиоканала 15 кГц, она должна быть уменьшена до 150 Гц. Скорость передачи информации при этом будет около 50 бит/сек. Однако, учитывая, что на запрос центрального устройства приема-передачи 2 одновременно отвечают n объектовых приемо-передатчиков из одной группы, то суммарно эта скорость будет в n раз больше. Реально n может достигать 100 и более.
При использовании узкополосного канала радиосвязи возможно использование очень простых и дешевых передатчиков. Так, при использовании сверхузкополосной ЧМ-модуляции с девиацией частоты ±50 Гц, узкополосный передатчик 7 будет состоять из кварцевого задающего генератора и усилителя мощности на транзисторах. При использовании микросхемы SX1276, она же может быть использована и в качестве узкополосного передатчика 7, что позволяет сделать узкополосный передатчик 7 и приемник ШПС 8 вместе на одной микросхеме. В состав микросхемы SX1276 также входит программируемый синтезатор частот, что позволяет для каждого узкополосного передатчика 7 запрограммировать свою рабочую частоту (внутри одной группы). При этом частоты программируются с заданным шагом, например 300 Гц или больше.
Многоканальный узкополосный приемник 4 может быть выполнен на основе цифровых принципов обработки радиосигнала. Основные элементы цифровой части приемника сосредоточены в модуле цифрового приемника. Этот модуль производит канальную фильтрацию и демодуляцию сигнала. Модуль может обрабатывать одновременно много каналов приема. Основные компоненты модуля - высокочастотный АЦП, цифровой квадратурный понижающий преобразователь DDC (их может быть несколько) и сигнальный процессор (процессоры). На этом принципе могут быть построены многоканальные радиоприемники с одинаковыми по параметрам каналами и с количеством каналов от единиц до сотен и тысяч. Готовые платы многоканальных цифровых приемников выпускаются, например, фирмой ЗАО «Инструментальные системы» (http://www.insys.ru/products/ddc).
Минимальное количество каналов в многоканальном узкополосном приемнике 4 в центральном устройстве приемопередачи 2 должно быть равно количеству используемых рабочих радиочастот, т.е. равно количеству объектовых устройств приемопередачи 6 в одной группе, т.е. n. Однако, при использовании узкополосных каналов, возникают проблемы, связанные со стабильностью частоты опорных генераторов в узкополосных передатчиках 7, и возможны случаи ухода частоты передатчиков за пределы выделенного приемного канала, что приведет к взаимным помехам в соседних каналах и к возможности потери сообщения. Для устранения этого увеличивают шаг сетки частот узкополосных передатчиков 7, а между этими частотами располагают дополнительные каналы приема - все с частичным взаимным перекрытием. В этом случае, при уходе частоты узкополосного передатчика 7, его сигнал попадает в соседний по частоте канал многоканального узкополосного приемника 4 и потери сообщения не происходит. Для реализации этого, количество каналов в многоканальном узкополосном приемнике 4 должно быть увеличено в несколько раз - это легко сделать при использовании цифровых методов приема, например основанных на преобразовании Фурье.
Можно оценить граничные значения для коэффициента расширения спектра для передатчика ШПС 3 и скорости передачи для узкополосных передатчиков 7, при которых предлагаемое устройство становится эффективнее системы с использованием ретранслятора. Повышение чувствительности приемника на 10 db увеличивает реальную дальность связи в 2 раза, что эквивалентно использованию ретранслятора. В этом случае, для повышения чувствительности приемника ШПС 8 коэффициент расширения спектра должен быть больше 10, а скорость передачи информации в узкополосном передатчике 7 должна быть снижена также в 10 раз с 4800 бит/сек до 480 бит/сек.
При использовании коэффициентов расширения спектра передатчика ШПС 3 более 100 и при снижении скорости передачи узкополосного передатчика 7 до 50 бит/сек и менее, можно повысить чувствительность приемника ШПС 8 и многоканального узкополосного приемника 4 на 20…25 db, что позволит увеличить дальность радиосвязи до 10 раз и более.
Таким образом, предлагаемый способ передачи данных, для дистанционного считывания показаний датчиков, позволяет существенно увеличить дальность считывания данных и зону покрытия. Это позволяет создавать системы с дальностью до 5 км и более, при использовании передатчиков с мощностью 10…25 мВт в безлицензионных диапазонах частот 433 МГц и 868 МГц и без использования ретрансляторов.