УСТРОЙСТВО СБОРА СЕНСОРНЫХ ДАННЫХ С РЕАЛИЗАЦИЕЙ КОНЦЕПЦИИ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

Полезная модель устройства относится к области вычислительной техники, в частности к устройствам Интернета вещей. Устройство может использоваться для сбора телеметрии, выполнения удаленного мониторинга за физическими характеристиками контролируемого объекта или процесса и управления объектами в доверенных сенсорных системах сбора, обработки и передачи цифровых данных.
Из существующего уровня техники известна полезная модель блока сбора и передачи данных [1]. Технический результат аналога заключается в сборе, хранении и передаче измерительной информации в экстремальных условиях. Это достигается тем, что в устройство включены блок сбора и передачи данных с часами реального времени и энергонезависимым запоминающим устройством, дополнительным микроконтроллером с функцией поддержки интерфейса программатора, интерфейса USB, интерфейса RS-485, интерфейса 1-WIRE для работы с цифровыми датчиками, интерфейса токовая петля для работы с аналоговыми датчиками, батарея питания устройства, батарея питания часов, блок управления питанием, радиомодем.
Основным недостатком аналога является его назначение: он предназначен для использования в экстремальных условиях, что делает его применение в системах Интернета вещей неоправданным, так как некоторые его технические характеристики являются существенно избыточными для широкого применения и делают использование устройства экономически невыгодным.
2
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является устройство для промышленной и бытовой автоматизации с возможностью реализации концепции Интернета вещей, описанное в патенте [2]. Техническим результатом прототипа является облегчение реализации концепции Интернета вещей при разработке систем автоматизации. Указанный результат достигается тем, что устройство содержит два модуля: микроконтроллерный и модуль-расширение. Микроконтроллерный модуль содержит 3 блока: блок питания №1, блок для отладки программного обеспечения и микроконтроллерный блок; модуль-расширение состоит из: блока дискретных защищенных входов с гальванической развязкой, блока аналоговых защищенных от перенапряжения выходов, блока интерфейса RS-485, блока интерфейса DMX-512, блока интерфейса 1-Wire, блока интерфейса Ethernet, блока питания внешних устройств, блока управления мощной нагрузкой, блока питания №2, блока защиты от "зависания" интерфейса Ethernet. Микроконтроллерный модуль соединен с модулем-расширением посредством штырьковых разъемов; шина данных состоит из интерфейсов IC, UART, SPI.
Недостатками прототипа, препятствующими достижению технического результата, являются:
- архитектурная особенность прототипа полезной модели, заключающаяся в невозможности применения устройства без модуля расширения, так как микроконтроллерный модуль не содержит каких-либо интерфейсов взаимодействия, в частности беспроводного интерфейса WiFi;
- архитектурная особенность прототипа полезной модели, заключающаяся в использовании неспециализированного микроконтроллерного устройства (например, типа Arduino), что не позволяет реализовать некоторые требования, например требования по эффективному энергопотреблению от встроенной аккумуляторной батареи (АКБ);
- относительно высокая стоимость прототипа полезной модели за счет использования неспециализированного микроконтроллерного устройства и обязательного использования модуля расширения с избыточным составом интерфейсов и разъемов;
- отсутствие средств индикации режимов работы устройства;
- отсутствие возможности заряда встроенной АКБ от распространенных бытовых зарядных устройств типа USB.
Задача, решаемая полезной моделью (технический результат), заключается в повышении надежности работы устройства реализующего концепцию Интернета вещей за счет контроля и управления электропитанием устройства.
Задача решается созданием устройства, реализующего концепцию Интернета вещей и обеспечивающего расширение функционала устройства по отношению к базовым возможностям по функционированию в беспроводной сети Wi-Fi, взаимодействию с серверной частью, индикацией режимов работы, зарядки от бытовых зарядных устройств типа USB и эффективному использованию заряда аккумуляторной батареи. Устройство сбора сенсорных данных с реализацией концепции Интернета вещей состоит из разъема подключения зарядного устройства, блока контроллера зарядки АКБ, АКБ, блока управления электропитанием, блока индикации режима работы, блока преобразования напряжения, блока антенны и аналоговой части, блока микроконтроллера, разъема программирования и отладки, разъема подключения устройств по интерфейсу I2C, разъема подключения шины 1-Wire.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства сбора сенсорных данных с возможностью реализации концепции Интернета вещей, где:
1 - разъем подключения зарядного устройства,
2 - блок контроля заряда аккумуляторной батареи,
3 - аккумуляторная батарея,
4 - блок управления электропитанием,
5 - блок индикации режима работы,
6 - блок преобразования напряжения,
7 - блок антенны и аналоговой части,
8 - блока микроконтроллера,
9 - разъема программирования и отладки,
10 - разъема подключения устройств по интерфейсу I2C,
11 - разъем подключения шины 1-Wire.
При этом блок микроконтроллера 8 соединен с блоком управления электропитанием 4, блоком индикации режима работы 5, блоком антенны и аналоговой части 7, разъемом программирования и отладки 9, разъемом подключения устройств по интерфейсу I2C 10, разъемом подключения шины 1-Wire 11. Блок управления электропитанием 4 соединен с боком контроллера зарядки аккумуляторной батареи 2 и блоком преобразования напряжения 6. Разъем подключения зарядного устройства 1 соединен с блоком контроллера зарядки аккумуляторной батареи 2. Блок контроллера зарядки аккумуляторной батареи 2 соединен с аккумуляторной батареей 3. Аккумуляторная батарея 3 соединена с блоком преобразования напряжения 6.
Устройство имеет в своем составе микроконтроллерный блок, блок антенны и аналоговой части и разъем программирования и отладки. Микроконтроллерный блок содержит в своем составе микроконтроллер, устройство беспроводного интерфейса сети Wi-Fi, оперативную память, долговременную память и долговременную перепрограммируемую память. Микроконтроллерный блок может быть реализован на основе системы на кристалле ESP8285 или подобной. Наличие в устройстве указанных блоков позволяет реализовать требуемый алгоритм функционирования устройства за счет записи в микроконтроллер соответствующей программной прошивки. При этом запись прошивки в блок микроконтроллера осуществляется через разъем программирования и отладки. Взаимодействие в составе беспроводной сети Wi-Fi осуществляется через блок антенны и аналоговой части. Для взаимодействия с серверной частью системы программная прошивка микроконтроллера реализует протоколы TCP/IP, TLS и MQTT.
Устройство имеет в своем составе разъем подключения шины 1-Wire и разъем подключения устройств по интерфейсу I2C, предназначенные для расширения функциональных возможностей устройства. Разъем подключения шины 1-Wire предназначен для подключения низкоскоростных внешних устройств, например, различных датчиком съема физических величин. Разъем подключения устройств по интерфейсу I2C предназначен для подключения относительно высокоскоростных устройств, например, устройств интерфейса Ethernet.
В состав устройства входит блок индикации режимов работы устройства, который может быть реализован, например, на светодиодах. Осуществляя включение/выключение светодиодов в соответствии с заданным алгоритмом блок микроконтроллера осуществляет индикацию режимов работы устройства.
Устройство имеет в своем составе разъем USB, через который электроэнергия от внешнего зарядного устройства типа USB (USB зарядные устройства, устройства типа PowerBank и др.) подается на контроллер зарядки АКБ, с которого осуществляется зарядка АКБ. Контроллер зарядки АКБ может быть реализован на основе микросхемы ТР4056А или подобной.
Устройство имеет в своем составе блок управления электропитанием и блок преобразования напряжения. Блок преобразования напряжения осуществляет преобразование напряжение от АКБ в напряжение, требуемое для корректного функционирования блоков устройства. Устройство обеспечивает возможность отключения питание блоков устройства по команде от блока управления электропитанием. При этом блок управления электропитанием всегда запитан при наличии достаточного заряда АКБ. Блок управления электропитанием может быть реализован на основе малопотребляющего микроконтроллера PIC12F675 или подобного. Блок преобразования напряжения может быть реализован на основе микросхемы TLV62568 или подобной. Программная прошивка блока управления электропитанием реализует алгоритм включения/выключения устройства обеспечивающий требуемый режим энергосбережения. Наличие связи между блоком управления электропитанием и блоком микроконтроллера позволяет корректировать алгоритм включения/выключения устройства в соответствии с текущими потребностями и поступающими внешними командами от серверной части системы. Наличие связи между блоком управления электропитанием и контроллером зарядки АКБ позволяет контролировать процесс зарядки АКБ и уровень зарядки АКБ.
Работа устройства (Фиг. 1) начинается с подачи питания через разъем подключения зарядного устройства 1 на блок контроллера зарядки АКБ 2, который начинает осуществлять зарядку АКБ 3. При этом с разъема подключения зарядного устройства 1 электропитание одновременно подается в шину питания устройства. Если это первое включение, блок микроконтроллера 8 переходит в режим программирования и ожидает записи прошивки программы с разъема программирования и отладки 9. Для этого устройство подключается к программатору и в него записывается прошивка программы для блока микроконтроллера 8 и для блока управления электропитанием 4. После записи прошивки программы устройство начнет функционировать в соответствии с заданным алгоритмом.
При включении устройства с записанной прошивкой программы первым начинает функционировать блок управления электропитанием 4 в соответствии с заданным алгоритмом. Для этого блок управления электропитанием проводит опрос блока контроллера зарядки АКБ 2 и в случае достаточного уровня заряда АКБ 3 блок управления электропитанием 4 подает команду на блок преобразования напряжения 6 о включении устройства, после чего блок преобразования напряжения 6 подает электропитание на шину питания устройства. После подачи питания на шину питания устройства начинает функционировать блок микроконтроллера 8, который осуществляет взаимодействие с внешними устройствами через разъем подключения шины 1-Wire 11 или разъем подключения устройств по интерфейсу I2C 10 в соответствии с заданным алгоритмом. Также блок микроконтроллера 8 осуществляет взаимодействие с серверной частью системы по беспроводному интерфейсу Wi-Fi через блок антенны и аналоговой части 7 в соответствии с заданным алгоритмом.
После выполнения необходимых действий в соответствии с заданным алгоритмом блок микроконтроллера 8 подает блоку управления электропитанием 4 команду на выключение устройства с указанием временного интервала, через который необходимо будет включить устройство. Блок управления электропитанием 4 получив от блока микроконтроллера 8 команду на выключение подает на блок преобразования напряжения 6 команду на выключение питания устройства, после чего блок преобразования напряжения 6 снимает электропитание с шины питания устройства. Далее блок управления электропитанием 4 устанавливает внутренний таймер включения на временной интервал, полученный в команде на выключение от блока микроконтроллера 8, и переходит в режим пониженного энергопотребления. После включения по команде от внутреннего таймера включения блок управления электропитанием 4 начинает функционировать в соответствии с заданным алгоритмом и описанный выше цикл функционирования устройства повторяется.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обладает возможностью расширения ее функциональных возможностей за счет подключения дополнительных модулей, обеспечивает функционирование в составе беспроводной сети Wi-Fi, взаимодействие с серверной частью системы, индикацию режимов работы устройства, зарядку АКБ от распространенных бытовых зарядных устройств типа USB, эффективное использование заряда АКБ и позволяет повысить надежность работы
устройства реализующего концепцию Интернета вещей за счет контроля и управления электропитанием устройства.
Источники информации:
1. Патент РФ №124505.
2. Патент РФ №194703.