МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ДАТЧИК С ДВУХПРОВОДНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ RS-485
MULTIFUNCTIONAL INFRARED SENSOR WITH DOUBLE-LINE INTERFACE RS-485

Многофункциональный инфракрасный датчик с двухпроводным интерфейсом RS-485 предназначен преимущественно для пассажирского автотранспортного хозяйства и может быть использован в составе различных систем, имеющих интерфейс RS-485, например таких, как «Система дистанционного контроля расхода топлива и режимов работы автотранспортного средства».
По функциональному назначению известна система подсчета посетителей CountMax по патенту №39418 от 26.03.04, содержащая передатчик и приемник с общим блоком питания, конвертор и персональный компьютер с программным обеспечением. Согласно техническим данным CountMax спроектирована для подсчета посетителей как в небольших магазинах, так и в крупных торговых центрах, т.е. в стационарных помещениях и основана на принципе отражения инфракрасных лучей. Длина луча регулируется индивидуально для каждого датчика по месту установки.
Недостатком данной системы является невозможность ее использования в автотранспорте для подсчета количества пассажиров по следующим причинам:
- система CountMax работает только в жестком комплекте с персональным компьютером, который практически невозможно установить в транспортном средстве;
- индивидуальная, ручная настройка каждого датчика по месту установки;
- транспортное средство постоянно меняет свое местоположение при движении, погодные условия постоянно меняются, меняется освещенность, из-за которой меняется мощность инфракрасных лучей в десятки раз: при ярком солнце мощность инфракрасных лучей уменьшается из-за рассеяния и уменьшается чувствительность приемника и соответственно уменьшается длина луча, а в тени - увеличивается. В результате этого единожды настроенный датчик на определенную длину луча, которая зависит от мощности, не будет корректно работать.
Наиболее близкой к заявляемому является «Система учета и анализа потока пассажиров и посетителей» по патенту №2304809 от 20.08.2007, содержащая счетчик-регистратор, инфракрасные датчики, устанавливаемые по одному над каждым местом учета и связанные при помощи кабельной системы со счетчиком-регистратором, блок питания и центр обработки данных.
Недостатком данной системы является неудобный съем информации - для считывания информации из архива счетчика-регистратора его необходимо снять и доставить в центр обработки данных. Наличие кабельной системы, которая соединяет датчики со счетчиком-регистратором, приводит к увеличению срока монтажа и стоимости всей системы, частые снятия счетчика-регистратора для считывания архива приводят к быстрому выходу из строя разъемов. Кроме этого, подобный способ считывания архивов из счетчиков-регистраторов приводит к большим затратам времени, а при увеличении количества автобусов в автопарке это время пропорционально растет, создавая дополнительные неудобства. Инфракрасные датчики этой системы невозможно использовать отдельно от системы, так как датчики не обладают стандартным общедоступным интерфейсом и не являются автономными устройствами.
Техническим результатом заявляемого изобретения является: повышение надежности датчика, удешевление датчика, в том числе за счет автоматизированной настройки узлов в процессе производства, возможность осуществлять быстрый, легкий и дешевый монтаж, возможность осуществлять беспроводной съем информации, компактное исполнение датчика: множество функций реализованы в одном корпусе, удобном для монтажа, автономность устройства, то есть возможность его использования в комплекте с любым устройством, обладающим стандартным интерфейсом RS-485.
Преимуществами заявляемого изобретения также являются:
- наличие стандартного двухпроводного интерфейса RS-485, позволяющего подключать датчик к устройствам, обладающим интерфейсом RS-485 и функцией обмена информацией по беспроводной связи: по радиоканалу или через GPRS;
- наличие одной единственной витой пары для интерфейса RS-485 независимо от количества монтируемых датчиков, что позволяет осуществлять быстрый, легкий и дешевый монтаж;
- наличие резервного питания, которое сохраняет работоспособность часов реального времени и микропроцессора при отключении аккумулятора автотранспортного средства;
- наличие узла защиты от бросков напряжения по цепи питания, которые возникают при неисправном стартере автотранспортного средства;
- наличие узла контроля состояния собственного резервного питания и аккумулятора автотранспортного средства.
Вышеуказанный технический результат достигается в многофункциональном инфракрасном датчике с двухпроводным интерфейсом RS-485, который состоит из маленького корпуса, в котором расположена плата, связанная при помощи двужильного провода с аккумулятором автотранспортного средства, содержащая микропроцессор, управляемый инфракрасный генератор с излучателем сигналов в инфракрасном диапазоне, узел управления мощностью инфракрасного генератора, приемник инфракрасных сигналов, узел измерения освещенности, первый архив, предназначенный для записи информации, поступающей от приемника инфракрасных сигналов, второй архив, предназначенный для регистрации нештатных ситуаций, часы реального времени, предназначенные для управления записью в архивы, узел обработки состояния реле, связанный с реле открывания и реле закрывания двери при помощи двужильных проводов, узел контроля состояния батареи и аккумулятора автотранспортного средства, узел защиты от бросков напряжения по цепи питания, резервное питание, последовательный интерфейс RS-232 для непосредственного подключения многофункционального инфракрасного датчика к персональному компьютеру, последовательный интерфейс RS-485 для подключения датчика к внешнему устройству в составе системы при помощи витой пары и все вышеперечисленные узлы соединены с микропроцессором, предназначенным для управления всеми узлами многофункционального инфракрасного датчика.
Функциями микропроцессора многофункционального инфракрасного датчика с двухпроводным интерфейсом RS-485 являются: управление измерением интенсивности освещенности окружающего пространства при помощи узла измерения освещенности, изменение мощности управляемого генератора инфракрасных сигналов согласно освещенности при помощи узла управления мощностью инфракрасного генератора, излучение инфракрасных сигналов с помощью инфракрасного генератора и прием этих сигналов, отраженных от пассажира, проходящего под датчиком, с помощью приемника инфракрасных сигналов, анализ и обработка полученных инфракрасных сигналов, обработка моментов открывания, закрывания двери и закрытого состояния двери при помощи узла обработки состояния реле, соединенного с реле открывания двери и реле закрывания двери при помощи двужильных проводов, обработка полученной информации, запись информации, привязанной к дате и времени, запись нештатных ситуаций соответственно в первый и второй архивы, контроль за состоянием источников питания (литиевой батареи и аккумулятора автотранспортного средства) при помощи узла контроля состояния батареи и аккумулятора автотранспортного средства, осуществление приема команд и передачи информации, хранящейся в архивах датчика, на устройство, к которому подключен датчик по интерфейсу RS-485.
2
Существенное отличие многофункционального инфракрасного датчика с двухпроводным интерфейсом RS-485 от инфракрасного датчика, входящего в «Систему учета и анализа потока пассажиров и посетителей», заключается в том, что заявляемый датчик не имеет узла измерения температуры и использует инфракрасный генератор, управляемый микропроцессором через узел управления инфракрасным генератором согласно освещенности окружающего пространства по специальному алгоритму. Алгоритм заключается в том, что весь диапазон освещенности окружающего пространства от минимального (пасмурная погода) до максимального (ясная солнечная погода) независимо от температуры делится на 8 равных поддиапазонов, а уровень мощности инфракрасного генератора жестко задается соответственно каждому поддиапазону; величина уровня мощности каждого поддиапазона рассчитана при помощи линейной зависимости уровня мощности от уровня освещенности: минимальная мощность соответствует первому поддиапазону, а максимальная - восьмому поддиапазону. Хотя такой способ установки мощности инфракрасного генератора кажется несколько грубым в отличие от способа установки мощности, использующего линейную зависимость, применяемого в инфракрасном датчике, входящем в «Систему учета и анализа потока пассажиров и посетителей», но является вполне достаточным для решения задачи установки мощности инфракрасного генератора даже без использования такого параметра, как температура окружающего пространства: уровень мощности инфракрасного генератора задается микропроцессором при помощи трехбитного порта (3=8) двоичным способом - выбором соответствующего канала 8-канального коммутатора тока, входящего в состав узла управления инфракрасным генератором. Каждый из 8 каналов коммутатора тока подает ток соответствующей величины в мА на излучатель инфракрасного генератора. В свою очередь величина тока прямо пропорциональна мощности инфракрасного генератора. Поэтому при вычислении зависимости мощности инфракрасного генератора от уровня освещенности линейным способом с учетом температурного параметра или дискретным (8 поддиапазонов) способом без использования такого параметра, как температура окружающего пространства, результат будет одинаков.
Другое существенное отличие многофункционального инфракрасного датчика с двухпроводным интерфейсом RS-485 от инфракрасного датчика, входящего в «Систему учета и анализа потока пассажиров и посетителей», заключается в том, что подсчет пассажиров при помощи заявляемого датчика производится путем суммирования количества входящих и выходящих пассажиров и деления полученной суммы на 2, что позволяет использовать только один инфракрасный генератор. В случае получения остатка от деления нечетного числа на 2 остаток сохраняется в памяти и добавляется к следующей сумме входящих и выходящих пассажиров до деления ее на 2.
Два описанных выше отличия позволяют существенно удешевить инфракрасный датчик из-за использования только одного инфракрасного генератора и исключения узла измерения температуры окружающего пространства.
Еще одно существенное отличие многофункционального инфракрасного датчика с двухпроводным интерфейсом RS-485 от инфракрасного датчика, входящего в «Систему учета и анализа потока пассажиров и посетителей», заключается в наличии интерфейса RS-485, который позволяет использовать многофункциональный инфракрасный датчик как автономное устройство, то есть его можно использовать в комплекте с любым устройством, обладающим стандартным интерфейсом RS-485 в составе системы, при этом в составе системы можно одновременно использовать до 255 многофункциональных инфракрасных датчиков. Наличие одной единственной витой пары для интерфейса RS-485 независимо от количества монтируемых датчиков позволяет осуществлять быстрый, легкий и дешевый монтаж. Возможность подключения датчика к устройствам, имеющим функцию обмена информацией по беспроводной связи, например по радиоканалу или через GPRS, позволяет организовать удобный, быстрый и дистанционный съем информации.
Достоинством многофункционального инфракрасного датчика с двухпроводным интерфейсом RS-485 является то, что реализована автоматизированная настройка мощности управляемого инфракрасного генератора и других узлов многофункционального инфракрасного датчика при помощи персонального компьютера во время производства через собственный последовательный интерфейс RS-232, вследствие чего уменьшается себестоимость и возрастает производительность труда настройщика, так как значительно сокращается время настройки, минимизируется человеческий фактор, что приводит к исключению ошибок при настройке. Во время настройки в энергонезависимую память микропроцессора многофункционального инфракрасного датчика через персональный компьютер заносится заводской номер, сетевой номер, версия программного обеспечения, в часы реального времени записываются точная дата и время и устанавливается базовая мощность инфракрасного генератора, соответствующая первому поддиапазону.
Многофункциональный инфракрасный датчик с двухпроводным интерфейсом RS-485 отличается тем, что в качестве резервного питания используется литиевая батарея 3,6 В. Резервное питание используется для сохранения работоспособности часов реального времени и микропроцессора при отключении аккумулятора автотранспортного средства во время ремонтно-профилактических работ. Многофункциональный инфракрасный датчик имеет узел контроля состояния батареи и аккумулятора автотранспортного средства для своевременной замены литиевой батареи и для регистрации момента отсоединения аккумулятора автотранспортного средства в архиве нештатных ситуаций. Многофункциональный инфракрасный датчик имеет узел защиты от бросков напряжения по цепи питания, которые возникают при неисправном стартере автотранспортного средства и при включении стартера, когда уровень напряжения аккумулятора автотранспортного средства снижается ниже 12 В.
Многофункциональный инфракрасный датчик с двухпроводным интерфейсом RS-485 имеет собственные часы реального времени, которые позволяют записывать информацию в архивы, привязывая ее к дате и времени с точностью до секунды. Глубина первого архива многофункционального инфракрасного датчика, предназначенного для записи информации, поступающей от приемника инфракрасных сигналов, составляет 45 суток. Во второй архив вместе с текущей датой и временем с точностью до секунды заносится информация о нештатных ситуациях: отключилось питание, батарея резервного питания разрядилась ниже предела допустимого, перекрыт многофункциональный инфракрасный датчик, отключено или не работает реле открывания и/или реле закрывания двери, не открыли дверь на остановке.
Многофункциональный инфракрасный датчик с двухпроводным интерфейсом RS-485 устанавливается в автотранспортном средстве над местом учета.
На чертеже представлена блок-схема многофункционального инфракрасного датчика с двухпроводным интерфейсом RS-485, где 1 - реле закрывания двери, 2 - реле открывания двери, 3 - узел обработки состояния реле, 4 - резервное питание (литиевая батарея 3,6 В), 5 - узел защиты от бросков напряжения по цепи питания, 6 - последовательный интерфейс RS-232, 7 - узел контроля состояния батареи и аккумулятора автотранспортного средства, 8 - управляемый инфракрасный генератор с излучателем сигналов в инфракрасном диапазоне, 9 - узел управления мощностью инфракрасного генератора, 10 - микропроцессор, 11 - часы реального времени, 12 - приемник инфракрасных сигналов, 13 - первый архив, 14 - второй архив, 15 - узел измерения освещенности, 16 - последовательный интерфейс RS-485, 17 - витая пара, 18 - многофункциональный инфракрасный датчик с двухпроводным интерфейсом RS-485.
Узел защиты от бросков напряжения (5) при понижении напряжения аккумулятора автотранспортного средства формирует сигнал для микропроцессора (10), который при поступлении этого сигнала анализирует состояние резервного питания (4) и состояние аккумулятора автотранспортного средства при помощи узла контроля состояния батареи и аккумулятора автотранспортного средства (7) и при необходимости подключает резервное питание (4). При отключении аккумулятора автотранспортного средства микропроцессор (10) питается непосредственно от резервного питания (4), при этом часы реального времени (11) питаются от логического уровня микропроцессора (10), так как часы реального времени потребляют ток не более 10 мкА, поэтому непосредственного подключения часов реального времени (11) к резервному питанию не требуется.
Принцип работы многофункционального инфракрасного датчика с двухпроводным интерфейсом RS-485: микропроцессор 10 отслеживает состояние двери: если дверь открыта, измеряется освещенность окружающего пространства при помощи узла измерения освещенности 15, устанавливается соответствующая мощность инфракрасного генератора при помощи узла управления мощностью инфракрасного генератора 9 и начинается процесс сканирования прохождения пассажира при помощи инфракрасного генератора с излучателем сигналов 8 и приемника инфракрасных сигналов 12. В случае фиксации пассажира микропроцессор 10 запоминает это во внутреннем регистре, переходит на отслеживание состояния двери и продолжает процесс сканирования прохождения очередного пассажира до тех пор, пока дверь не закроется. Состояние двери определяется при помощи реле открывания двери 2, реле закрывания двери 1 и узла обработки состояния реле 3. После закрытия двери микропроцессор 10 заносит содержимое внутреннего регистра, деленное на 2, запоминая остаток, в первый архив 13 вместе с текущей датой и временем, полученными из часов реального времени 11. Содержимое внутреннего регистра после этого обнуляется. Во второй архив 14 вместе с текущей датой и временем заносится информация о нештатных ситуациях. По команде устройства, к которому датчик подключен по интерфейсу RS-485 16 при помощи витой пары 17, считываются архивы, после чего архивы обнуляются. Кроме архивов считывается информация о состоянии резервного питания 4 при помощи узла состояния батареи и аккумулятора автотранспортного средства 7. Узел защиты от бросков напряжения по цепи питания 5 подавляет броски напряжения супрессором. Последовательный интерфейс RS-232 6 используется для настройки датчика при помощи компьютера во время производства.