УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к области навигации, а именно к устройствам для определения местоположения транспортного средства (ТС) по сигналам космических навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, отображения ТС на электронной карте местности, мониторинга ТС, отображения сервисной и диагностической информации ТС и выполнения мультимедийных функций.
Система мониторинга подвижных объектов построена на основе систем спутниковой навигации, оборудования и технологий сотовой и/или радиосвязи, вычислительной техники и цифровых карт. В качестве синонима используется также термин “Трекинг транспорта” (от англ. Tracking - слежение).Спутниковый мониторинг транспорта используется для решения задач транспортной логистики в системах управления перевозками и автоматизированных системах управления автопарком.
Принцип работы системы мониторинга подвижных объектов заключается в отслеживании и анализе пространственных и временных координат подвижного объекта, например, транспортного средства. Существует два варианта мониторинга: online - с дистанционной передачей координатной информации и offline - информация считывается по прибытию на диспетчерский пункт.
На движущийся объект, например, на транспортное средство устанавливается мобильный модуль, состоящий из следующих частей: приемник спутниковых сигналов, модули хранения и передачи координатных данных. Программное обеспечение мобильного модуля получает координатные данные от приемника сигналов, записывает их в модуль хранения и по возможности передает посредством модуля передачи.
Модуль передачи позволяет передавать данные, используя беспроводные сети операторов мобильной связи. Полученные данные анализируются и выдаются диспетчеру в текстовом виде или с использованием картографической информации.
Из уровня техники известно устройство для определения местоположения подвижных объектов, (патент на полезную модель RU №63094 U1, G081 1/123, 10/05/2007), содержащее GSM-модем, GSM-антенну, SIM-карту оператора сотовой связи, GPS-приемник, GPS-антенну, контроллер с энергонезависимой памятью и портом программирования, блок питания, интегральный акселерометр, детектор движения, выключаемый стабилизатор напряжения питания акселерометра, выключаемый стабилизатор напряжения питания GPS-приемника, выключаемый стабилизатор напряжения питания GSM-модема, светочувствительный элемент и светодиодный индикатор состояния, при этом выходы контроллера подключены к управляющим входам стабилизатора напряжения питания акселерометра, стабилизатора напряжения питания GPS-приемника, стабилизатора напряжения питания GSM-модема и к индикатору состояния модуля соответственно, источник питания подключен к контроллеру и ко входам всех трех стабилизаторов напряжения, выход стабилизатора напряжения питания акселерометра подключен к интегральному акселерометру, информационные выходы которого подключены ко входам детектора движения, а выход детектора подключен к входу контроллера, выход стабилизатора напряжения питания GPS-приемника подключен к GPS-приемнику, последовательный порт которого подключен к последовательному порту контроллера, выход стабилизатора напряжения питания GSM-модема подключен к GSM-модему, последовательный порт которого подключен к последовательному порту контроллера, к радиочастотному входу GPS-приемника подключена GPS-антенна, а к GSM-модему подключена GSM-антенна, SIM-карта подключена к последовательному порту GSM-модема, а ко входу контроллера подключен светочувствительный элемент.
Недостатками данного устройства являются невысокая точность определения координат подвижного объекта, невысокая надежность функционирования, высокое энергопотребление и невозможность дистанционного тестирования навигационной аппаратуры.
Кроме того, известен универсальный комплекс мониторинга подвижного объекта, который содержит абонентский терминал, установленный на объекте, включающий управляющий микроконтроллер, GSM-модем, механический акселерометр, энергонезависимую память, приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем с антенной, выход которого через шину обмена данными подключен к управляющему микроконтроллеру, и интеллектуальный коммутатор питания с регистратором факта движения и блоком таймеров, выходы которых и выход регистратора факта движения через шину обмена данными связаны с управляющим микроконтроллером; телематический сервер, антенну GSM-связи, подключенную к радиочастотному входу GSM-модема, управляющий микроконтроллер через шину обмена данными соединен с выходом механического акселерометра, выходами GSM-модема и энергонезависимой памятью, выходы источника питания подключены к абонентскому терминалу, сигнальные выходы управляющего микроконтроллера соединены со светодиодными индикаторами, а телематический сервер через средство обеспечения GPRS-обмена связан с GSM-модемом. (патент на полезную модель №94367, опубликован 20.06.2010 г.).
Недостатком известного устройства также являются невысокая точность определения координат подвижного объекта и высокое энергопотребление.
Наиболее близким техническим решением является автомобильная система спутниковой навигации, которая состоит из космических аппаратов навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, антенны GPS/ГЛОНАСС, контроллера бортового, платы контроллера бортового, трех-осевого механического акселерометра, flash-памяти, приемника GPS/ГЛОНАСС, интеллектуального коммутатора питания, GSM модема, управляющего микроконтроллера, аккумулятора, дисплея мультимедийного, платы сопряжения, GPS-автомагнитолы, GSM-антенны, технологических входов/выходов, средств обеспечения GPRS-обмена (GSM-оператор), сети интернет, персонального компьютера (ПК), телематического сервера, повышающего импульсного стабилизатора напряжения, преобразователя уровней RS232, платы интерфейсной, порта RS232, светодиодных индикаторов (патент на полезную модель №100657, опубликован 20.12.2010 г).
Недостатками известной автомобильной системы спутниковой навигации являются низкие чувствительность и помехоустойчивость, а также высокое потребление энергии.
Задачей заявляемой полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков, а именно, увеличение чувствительности и помехоустойчивости устройства, снижение потребляемой мощности.
Поставленная задача решается устройством мониторинга подвижных объектов, содержащим антенну GPS/ГЛОНАСС, акселерометр, flash-память, приемник GPS/ГЛОНАСС, микроконтроллер, аккумулятор, приемо-передатчик на базе GSM, технологические входы/выходы, стабилизатор напряжения, которое дополнительно снабжено интеллектуальным контроллером аккумулятора и коммутатора питания, выполненным на микросхеме BQ24070, отключаемым входным преобразователем напряжения, блоком питания и контроля ГЛОНАСС/GPS антенны, коммутатором двух SIM карт, гироскопом и аппаратным емкостным повышающим преобразователем питания устройств шины 1 Wire в качестве стабилизатора напряжения, а в качестве аккумулятора содержит литий полимерный аккумулятор, при этом выход отключаемого входного преобразователя напряжения подключен к входу интеллектуального аккумулятора и коммутатора питания, к которому подключен литий полимерный аккумулятор, к выходу коммутатора питания подключен блок питания и контроля ГЛОНАСС/GPS антенны и аппаратный емкостной повышающий преобразователь питания устройств шины 1 Wire, а коммутатор двух SIM карт подключен к приемо-передатчику на базе GSM.
Заявляемое устройство, условно названное GPS-трекер, схематически представленно на фиг. 1:
1 - входной преобразователь напряжения;
2 - акселерометр и гироскоп;
3 - повышающий преобразователь питания устройств шины 1 Wire;
4 - формирователь входных и выходных сигналов;
5 - литий полимерный аккумулятор;
6 - интеллектуальный контроллер литий полимерного аккумулятора и коммутатор питания;
7 - микроконтроллер;
8 - flash-память;
9 - ключ питания GSM-модуля;
10 - стабилизатор питания микроконтроллера;
11 - стабилизатор питания ГЛОНАСС/GPS приемника;
12 - стабилизатор питания входных и выходных формирователей сигналов;
13 - предварительный усилитель микрофона и окончательный усилитель громкоговорителя;
14 - приемопередатчик на базе GSM;
15 - коммутатор SIM-карт с двумя держателями;
16 - приемник ГЛОНАСС/GPS;
17 - блок питания и контроля ГЛОНАСС/GPS антенны;
18 - GSM антенна;
19 - антенна ГЛОНАСС/GPS.
Отличием заявляемого устройства мониторинга подвижных объектов является возможность более гибкого управления системой питания, позволяющей ввести несколько уровней энергосбережения в зависимости от внешних условий. Это достигается наличием интеллектуального контроллера литий полимерного аккумулятора и коммутатора питания 6, выполненного на микросхеме BQ24070, отключаемого входного преобразователя напряжения 1. Также заявляемое устройство отличает наличие блока питания и контроля ГЛОНАСС/GPS антенны 17, коммутатора двух SIM карт 15 и аппаратного емкостного повышающего преобразователя питания устройств шины 1 Wire 3.
Заявляемое устройство обладает повышенной чувствительностью и помехоустойчивостью за счет улучшения фильтрации напряжения питания активной ГЛОНАСС/GPS антенны и разделения общего провода устройства и антенны. Электрическая принципиальная схема включения ГЛОНАСС/GPS приемника и антенны приведена на фиг. 2. Фильтрация обеспечивается п-образным фильтром, состоящим из элементов C69, L4, C78, C77, L7, C72. Кроме того обеспечивается функция диагностики ГЛОНАСС/ОР8 антенны и детектирование состояний обрыва, нормальной работы и короткого замыкания питающего кабеля. В случае обрыва, с выхода компаратора DA7 на порт GPS ANT DET микроконтроллера 7 поступает сигнал низкого логического уровня, при нормальной работе антенны и потребляемом токе в пределах 5-30 мА выход компаратора переходит в высокий логический уровень. При замыкании кабеля антенны ток ключа VT11 с помощью транзистора VT10 и токоизмерительного резистора R70 ограничивается на уровне 55-60 мА и напряжение на порте V GPS ANT микроконтроллера 7 оказывается близко к нулю. Микроконтроллер 7 периодически измеряет напряжение на порте V GPS ANT и при его падении выключает ключ VT11 низким уровнем на порте nGPS ANT OFF odr. Таким образом исключается перегрев ключа VT11 и увеличение тока потребления. Далее микроконтроллер 7 периодически включает ключ УТИ и измеряет напряжение на порте V GPS ANT. В случае устранения обрыва кабеля и увеличения этого напряжения до значения более 3,2 В узел переходит к нормальной работе.
Для питания устройств шины 1 Wire требуется напряжение 4,5-5,5 В с током до 20 мА. Для этого, при использовании литий полимерного аккумулятора, требуется применение повышающего преобразователя. Для снижения стоимости устройства реализован емкостной повышающий преобразователь, питающийся непосредственно от порта микроконтроллера 7. Схема узла приведена на фиг 3. Напряжение питания устройств шины 1 Wire снимается со сглаживающего конденсатора C97 и ограничивается с помощью транзисторов VT14, VT19 на уровне около 5 В. Таким образом исчезает необходимость реализации ШИМ регулятора на микроконтроллере 7, что позволило снизить ток, потребляемый микроконтроллером и разгрузить его ресурсы.
Устройство мониторинга подвижных объектов снабжено дополнительно функцией возможности отключения входного преобразователя при чрезмерном разряде аккумулятора транспортного средства на стоянке и переводе устройства на питание от собственного аккумулятора в «спящем» режиме. Это достигается введением транзистора VT4. Схема входного преобразователя напряжения 1 представлена на фиг. 4. Микроконтроллер 7 периодически измеряет бортовое напряжение ТС и при его падении до 10,8 В отключает преобразователь высоким уровнем на порте DC OFF. В результате интеллектуальный контроллер литий полимерного аккумулятора и коммутатор питания 6 переводит устройство на питание от внутреннего литий полимерного аккумулятора 5.
Для обеспечения более надежной доставки пакетов GPRS от заявляемого устройства мониторинга к серверу применен коммутатор SIM карт с двумя держателями 15. Схема коммутатора приведена на фиг. 5. Узел содержит микросхему аналоговых ключей 9 ВА6 и два держателя SIM карт X1 и X2. По умолчанию используется держатель X1. При получении от приемо-передатчика на базе GSM 14, снабженного GSM-антенной 18, сообщения о пропадании сигнала GSM или о вхождении в зону роуминга, микроконтроллер 7 сигналом порта SIM SEL отключает держатель X1 и подключает держатель X2.
Заявляемое устройство для обеспечения надежной бесперебойной работы также снабжено стабилизатором питания микроконтроллера 10, стабилизатором питания ГЛОНАСС/GPS приемника 11 и стабилизатором питания входных и выходных формирователей сигналов 12. Наличие этих стабилизаторов позволяет повысить степень защиты всего устройства от внешних помех и устойчивости его работы.
Устройство мониторинга подвижных объектов работает следующим образом. Устройство мониторинга устанавливают на гражданские наземные, водные, воздушные ТС или стационарные объекты для мониторинга в режиме реального времени. Устройство содержит встроенный GPS/ГЛОНАСС приемник и GSM модем. Устройство определяет текущее местоположение с помощью GPS/ГЛОНАСС приемника и передает информацию на сервер мониторинга, используя GPRS канал сотовой сети GSM. Данное устройство может быть снабжено дополнительными датчиками для выполнения функции анализирования и оповещения через предварительный усилитель микрофона и окончательный усилитель громкоговорителя 13 о наличии топлива, о температуре и т.д., а также может принимать от сервера команды управления объектом, например, для блокировки двигателя в случае превышения скорости движения или резкого торможения транспортного средства. При нахождении ТС в зоне отсутствия сигнала GPRS устройство накапливает данные о пройденном маршруте в энергонезависимой памяти и автоматически выдает их при появлении сигнала. Используя сигналы навигационных спутников системы ГЛОНАСС/GPS, устройство периодически записывает сигналы спутников для вычисления координат, времени, мгновенной скорости и пробега, показания датчиков и передает их по сети передачи данных GPRS с помощью сотовой сети GSM. Используемая сеть определяется установленной в прибор SIM-картой. При отсутствии сигнала сети, либо при невозможности соединения (перегрузка сети, отсутствие средств на лицевом счете), прибор не передает данные, а запоминает их во встроенной памяти. При отсутствии возможности передачи данных по сотовой сети их можно считать с прибора при непосредственном подключении, сняв прибор с автомобиля, или подключив к нему компьютер на месте.
Питание устройства может осуществляться от бортовой сети практически любого транспортного средства или другого источника постоянного тока напряжением от 6 до 40 вольт. Устройство содержит встроенный литий полимерный аккумулятор, обеспечивающий автономную работу в течение более 15 часов.
Таким образом, заявляемое устройство мониторинга подвижных объектов обладает высокими чувствительностью и помехоустойчивостью, а также небольшим потреблением энергии за счет возможности более гибкого управления системой питания, позволяющей ввести несколько уровней энергосбережения в зависимости от внешних условий. Также заявляемое устройство обладает дополнительной функцией анализирования и оповещения о наличии топлива, о температуре и т.д., а также может принимать от сервера команды управления объектом.