МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЭКОМОНИТОРИНГА ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Настоящая полезная модель относится к области экологического мониторинга городской среды, в частности относится к системе мониторинга качества воздуха в режиме реального времени.
Известен метод и система мониторинга окружающей среды на транспортных средствах (патент WO2018103213 А1, G01W 1/02, опубл. 14.06.2018 г.). Предложен способ мониторинга окружающей среды на основе транспортных средств. Автомобиль оборудован датчиком окружающей среды. Способ включает в себя: получение информации о географическом местоположении транспортного средства; получение информации об окружающей среде, обнаруженной датчиком окружающей среды, установленным в транспортном средстве; и отправку информации о географическом местоположении транспортного средства и информации об окружающей среде на сервер метеорологической станции. Также раскрыта автомобильная система мониторинга окружающей среды. В техническом решении настоящего изобретения может быть получена информация об окружающей среде в большинстве конкретных регионов, так что пользователи могут легко запрашивать информацию. Информация об окружающей среде, полученная в реальном времени в этом способ является более точной, чем данные, контролируемые метеостанцией.
В заявке представлена система, в которой отсутствует администрирование технических средств, в особенности правил допуска таких средств в единую коллективную систему сбора данных. К примеру, в предлагаемом решении на центральную метеостанцию не передаются данные о самом транспортном средстве, а именно о его уникальном идентификаторе. Это может приводить к ситуациям, когда, например, из-за неисправности на конкретном автомобиле устройства определения координат или неправильной работы датчиков, измеряющих параметры окружающей среды, данные в центральной метеостанции сохраняются в искаженном виде. Эти искаженные данные нельзя будет отфильтровать, поскольку они не связаны с конкретным транспортным средством. К тому же, отсутствие процедуры аутентификации ТС, создает условия для преднамеренных действий деструктивного характера, с целью компрометации данных в системе.
Также нет никаких сведений о метках времени в перечне передаваемых данных. Таким образом, данные не привязаны к шкале времени, что ограничивает способы применения измеренных данных.
Известно портативное устройство для измерения спектра распределения концентрации твердых частиц в атмосфере и сбора проб (патент CN 216117228 U, G01N 15/06, G01S 19/42, G01W 1/02, опубл. 22.03.2022 г.). Система содержит: блок измерения и отбора проб атмосферных твердых частиц и блок дистанционного управления и управления системой; блок измерения и отбора проб атмосферных твердых частиц содержит модуль измерения спектрального распределения концентрации количества твердых частиц, модуль оптического подсчета твердых частиц с несколькими диаметрами частиц, модуль сбора твердых частиц ударного типа, модуль измерения метеорологической температуры и влажности и модуль GPS-позиционирования; блок дистанционного управления и управления системой содержит модуль удаленного подключения и модуль управления системой. Полезная модель выполнена в переносном модульном исполнении.
Представленное решение предназначено для измерения концентрации и спектра распределения твердых частиц в атмосфере, что ограничивает область применения в комплексных системах мониторинга окружающей среды в городских агломерациях. В таких комплексных системах, обязательной частью являются датчики газового состава атмосферы и дополнительно используются датчики шума, освещенности, уровня осадков, давления и др. Для выполнения измерений требуется предварительный нагрев конструкции измерительного оборудования, что усложняет процедуру измерений в автоматическом режиме, с использованием большого количества устройств.
Известна система и метод мониторинга качества воздуха на всей территории города в режиме реального времени (патент CN 103969701 А, G01W 1/00, G01W 1/02, опубл. 06.08.2014 г.). Система включает в себя систему мониторинга качества воздуха и более одного интеллектуального сервисного терминала, установленного на транспортном средстве, каждый установленный на транспортном средстве интеллектуальный сервисный терминал содержит модуль позиционирования GPS (глобальная система позиционирования), датчик мониторинга качества воздуха, модуль обработки информации и беспроводной модуль связи, каждый модуль обработки информации используется для объединения данных о долготе и широте, времени и качестве воздуха, каждая система мониторинга качества воздуха включает в себя модуль сетевого подключения и картографический движок, и каждый картографический движок используется для рисования полной площади города для мониторинга в реальном времени в соответствии с данными о качестве воздуха в разных местах. Изобретение дополнительно раскрывает способ реализации системы. Мониторинг качества воздуха на всей территории города в режиме реального времени осуществляется путем размещения датчиков контроля качества воздуха на множестве транспортных средств для мобильного сбора данных о качестве воздуха и использования функции позиционирования в реальном времени GPS, установленного на транспортном средстве. Недостатком указанной системы является ограниченность в использовании, а именно использование в системе данных о качестве воздуха только для нанесения на карту, отсутствует возможность использования для сложной аналитики.
Известна мобильная система сбора данных об окружающей среде на базе городского общественного транспорта (патент CN 215297713 U, B60W 40/02, G01W 1/02, опубл. 24.12.2021 г.), выбранная в качестве прототипа. Полезная модель раскрывает мобильную систему сбора данных об окружающей среде на базе городских автобусов. Система включает в себя бортовую часть оборудования и платформу, датчик сбора данных об окружающей среде и блок расчета. Датчик сбора данных об окружающей среде используется для сбора данных об окружающей среде в том месте, где находится мобильный кузов транспортного средства, и передает собранные данные об окружающей среде в блок расчета. Пограничный вычислительный блок используется для приема данных об окружающей среде, полученных датчиком сбора данных об окружающей среде. Более полные данные об окружающей среде всего города получаются за счет того, что общественный транспорт значительно покрывает город. Представленное решение использует протокол связи Modbus RTU и интерфейс связи RS-485, обеспечивающие ограниченную пропускную способность, что затрудняет создание систем сбора данных об измеренных параметрах атмосферы, при относительно большом количестве измеряемых величин. В некоторых случаях становится невозможным обеспечить требуемый период опроса датчиков, что негативно сказывается на пространственном разрешении системы. Ограниченное количество датчиков, недостаточное для построения современных систем мониторинга качества атмосферы в городах. Требуется более широкий набор датчиков газового состава атмосферы, нужный для оценки влияния загрязненности воздуха на здоровье населения.
Задачей полезной модели является осуществление комплексного экологического мониторинга городской среды, в том числе предоставление подробной информации о качестве воздуха в режиме реального времени, что позволяет улучшать как экологическую, так и транспортную обстановку города, а также заботиться о здоровье граждан.
Поставленная задача решается тем, что мобильное устройство экомониторинга для транспортных средств, содержит размещенный на плате датчик сбора данных об окружающей среде с микроконтроллером, выполненный с возможностью соединения посредством кабеля типа «витая пара» с контроллером, содержащим блок граничных вычислений с модулем передачи данных и модулем управления оборудованием. Датчик сбора данных об окружающей среде с микроконтроллером  содержит совокупность размещенных на плате датчиков параметров окружающей среды, представляющих собой датчик уровня шума, датчик пылевых частиц, датчик вибрации, датчик внешней освещенности, датчик давления, датчик монооксида углерода, датчик двуокиси серы, датчик оксида азота, датчик озона, датчик сероводорода, датчик кислорода, датчик водорода, датчик аммиака, датчик формальдегида, датчик летучих органических соединений, датчик двуокиси углерода, датчик метана, датчик количества осадков, датчик температуры и влажности. При этом в качестве микроконтроллера используют модуль управления датчиками параметров окружающей среды, выполненный с возможностью использования протокола MQTT для передачи данных, с возможностью получения автоматических сообщений о истечении срока годности датчиков, входящих в его состав, и необходимости их замены для датчика давления, датчика монооксида углерода, датчика двуокиси серы, датчика оксида азота, датчика озона, датчика сероводорода, датчика кислорода, датчика водорода, датчика аммиака, датчика формальдегида, датчика летучих органических соединений, датчика двуокиси углерода, датчика метана.
Датчик сбора данных об окружающей среде, выполнен с возможностью передачи данных в блок граничных вычислений с использованием протокола связи Ethernet, что позволяет увеличивать скорость и объем передаваемых данных.
Датчик сбора данных об окружающей среде, выполнен с возможностью питания за счет технологии Power over Ethernet, что позволяет не использовать дополнительные кабели и источники питания.
Блок граничных вычислений дополнительно содержит модуль идентификации транспортного средства, выполненный с возможностью дополнения данных с датчика сбора данных об окружающей среде GPS-данными о местоположении транспортного средства и идентификатором транспортного средства.
Основным назначением мобильного устройства экомониторинга для транспортных средств является комплексный мониторинг широкого спектра данных о состоянии окружающей среды. Устройство предназначено для установки на общественный транспорт, что позволяет осуществлять регулярный контроль концентрации загрязняющих веществ в воздухе, обеспечение данными городских проектов по улучшению экологии качественными данными мониторинга, оперативное реагирование на превышение ПДК (передача информации на контрольно-диспетчерский пульт, а далее в системы экстренного оповещения).
Заявленное устройство содержит:
1) Датчик сбора данных об окружающей среде;
2) Датчик уровня шума;
3) Датчик вибрации;
4) Датчик пылевых частиц;
5) Датчик внешней освещенности;
6) Датчик количества осадков;
7) Датчик температуры / влажности;
8) Датчик давления;
9) Датчик монооксида углерода;
10) Датчик двуокиси серы;
11) Датчик оксида азота;
12) Датчик озона;
13) Датчик сероводорода;
14) Датчик кислорода;
15) Датчик водорода;
16) Датчик аммиака;
17) Датчик формальдегида;
18) Датчик летучих органических соединений;
19) Датчик двуокиси углерода;
20) Датчик метана;
21) Модуль управления датчиками параметров окружающей среды;
22) Блок граничных вычислений;
23) Модуль идентификации транспортного средства;
24) Модуль передачи данных;
25) Модуль управления оборудованием.
На фиг. 1 представлена схема заявляемого мобильного устройства экомониторинга для транспортных средств.
Устройство предназначено для установки его на крыше или внутри салона транспортных средств.
Датчик сбора данных об окружающей среде 1 представляет собой плату, с установленной на ней датчиками параметров окружающей среды 2-20 и модулем управления датчиками параметров окружающей среды 21, представляющем собой микроконтроллер.
2
2
3
2
2
2
3
2
Датчик уровня шума 2 позволяет измерять уровень шума в децибелах.  Датчик вибрации 3 позволяет измерять внешние вибрационные воздействия.  Датчик пылевых частиц 4 позволяет определять концентрацию твердых частиц.  Датчик внешней освещенности 5 позволяет измерять уровень освещенности. Датчик количества осадков 6 позволяет определять количество осадков за единицу времени. Датчик температуры и влажности 7 позволяет измерять температуру и относительную влажность. Датчик давления 8 позволяет измерять абсолютное давление воздуха. Датчик монооксида углерода 9 предназначен для измерения концентрации угарного газа (монооксида углерода - CO) в атмосфере. Датчик двуокиси серы 10 предназначен для измерения содержания двуокиси серы (SO, также называется сернистый ангидрид, оксид серы (IV), сернистый газ). Датчик оксида азота 11 предназначен для измерения содержания оксида азота (NO).  Датчик озона 12 предназначен для измерения концентрации озона (O) в воздухе. Датчик сероводорода 13 предназначен для измерения концентрации газа сероводорода (HS) в окружающем воздухе. Датчик кислорода 14 предназначен для измерения количества кислорода (O) в воздухе. Датчик водорода 15 используется для измерения концентрации водорода (H). Датчик аммиака 16 предназначен для измерения содержания аммиака (NH). Датчик формальдегида 17 используется для измерения содержания паров формальдегида (HCHO) в окружающем воздухе. Датчик летучих органических веществ 18 (VOC) позволяет определять значение летучих органических веществ в воздухе. Датчик двуокиси углерода 19 предназначен для определения концентрации углекислого газа (CO) в окружающем воздухе. Датчик метана 20 предназначен для измерения концентрации метана в окружающем воздухе.
Модуль управления датчиками параметров окружающей среды 21 характеризуется возможностью использования протокола MQTT для передачи данных по принципу издатель-подписчик.
Датчик сбора данных об окружающей среде 1 подключается к блоку граничных вычислений 22 с помощью кабеля типа «витая пара». Подключение реализовано с возможностью использования протокола связи Ethernet. Питание устройства может быть реализовано по этому же кабелю, с использованием технологии PoE (Power over Ethernet).
Блок граничных вычислений 22 представляет собой контроллер и содержит модуль идентификации транспортного средства 23, модуль передачи данных 24, модуль управления оборудованием 25. Блок граничных вычислений предназначен для локальной обработки и временного хранения данных. Блок граничных вычислений также выполняет функцию локального брокера, для которого «издателем» является модуль управления датчиками параметров окружающей среды 21, а «подписчиком» может выступать любая заинтересованная сторона (министерство, ведомство, компания, служба), которая может создать свою систему сбора и обработки данных.
Модуль идентификации транспортного средства 23 служит для добавления к данным, полученным от модуля управления датчиками параметров окружающей среды 21, следующих данных: GPS-координат транспортного средства и уникального идентификатора транспортного средства.
Модуль передачи данных 24 предназначен для передачи данных экологического мониторинга вместе с данными о транспортном средстве в центр обработки данных или иную платформу для последующего хранения и анализа.
Модуль управления оборудованием 25 служит для постоянного контроля состояния подключения, а также отслеживания процесса передачи данных.
Пример осуществления полезной модели приведен ниже.
Устройство может быть установлено на любой наземный общественный транспорт: автобус, трамвай, троллейбус. Датчик сбора данных об окружающей среде (1) представляет собой плату, с установленной на ней микроконтроллером, и подключенными к нему датчиками параметров окружающей среды (2-20). Плата также включает в себя разъем подключения Ethernet. Все датчики подключены к микроконтроллеру интерфейсной шине I2С. Каждый датчик (2-20) представляет собой изделие, состоящее из чувствительного элемента, схемы преобразования и аналого-цифрового преобразователя.
Модуль управления датчиками параметров окружающей среды (21) получает данные с датчиков параметров окружающей среды (2-20) добавляет к измеренным данным значение времени измерения и передает итоговые данные в формате json-строки, содержащей пары «ключ-значение», в блок граничных вычислений (22). Он также передает данные в блок граничных вычислений (22) с использованием протокола MQTT по шаблону издатель-подписчик, являясь при этом «издателем».
Модуль управления датчиками параметров окружающей среды (21) позволяет передавать данные в блок граничных вычислений (22) с использованием протокола MQTT по шаблону издатель-подписчик.
Датчик сбора данных об окружающей среде (1) подключается к блоку граничных вычислений (22) с помощью кабеля типа «витая пара», с использованием протокола связи Ethernet. Питание датчика сбора данных об окружающей среде (1) осуществляется по этому же кабелю, с использованием технологии PoE (Power over Ethernet).
Блок граничных вычислений (22) – это контроллер, который представляет собой моноблочное оборудование, надежно работающее в промышленных условиях, и является аппаратной частью транспортного средства. В состав контроллера входит модуль определения местоположения транспортного средства (GPS / ГЛОНАСС системы). Блок граничных вычислений является локальным брокером согласно протоколу MQTT.
Модуль идентификации транспортного средства (23) добавляет к json-строке, полученной от модуля управления датчиками параметров окружающей среды (21), GPS-координаты транспортного средства (широта и долгота в момент получения данных) и уникальный идентификатор (индивидуальный номер) транспортного средства.
Модуль передачи данных (24) осуществляет подключение к серверу и передает ему данные, полученные устройством, для последующего хранения и анализа. Сервер выступает «подписчиком» согласно протоколу MQTT.