СЕНСОРНАЯ СЕТЬ С МОДУЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ

Полезная модель предназначена для решения задач дистанционного сбора данных с датчиков и управления исполнительными механизмами на территориально-распределенных объектах в промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве, для автоматизации научных исследований и в других отраслях экономики и социальной сферы.
Известны системы промышленной автоматизации, часть из которых построена по модульному принципу и допускает использование нескольких технологий передачи данных (например, Ethernet, CANbus, другие полевые шины). В таких системах промышленной автоматизации используются универсальные сенсорные узлы с монолитной конструкцией. Однако такие системы не предусматривают использование беспроводных сетей и долговременного батарейного питания сенсорных узлов и не могут быть отнесены к сенсорным сетям.
Известны сенсорные сети, характеризующиеся малопотребляющей, но монолитной конструкцией сенсорных узлов и фиксированным выбором технологии передачи информации (например, беспроводная сеть IEEE 802.15.4).
Задачей полезной модели является создание сенсорной сети с модульной архитектурой для мониторинга и управления территориально-распределенными объектами.
Технический результат заключается в обеспечении возможности быстрой реализации сенсорной сети, адаптированной под конкретное применение, без разработки новых устройств, путем построения сенсорных узлов с нужным набором интерфейсов из известных комплектующих, уменьшении стоимости и габаритов ее сенсорных узлов, сокращении расходов и времени на ее развертывание и обеспечении ее неограниченной территориальной протяженности.
Технический результат достигается тем, что сенсорная сеть с модульной архитектурой состоит из одного или более управляющих компьютеров, взаимодействующих посредством транспортной сети с сенсорными узлами, к которым подключены датчики и/или исполнительные механизмы. При этом сенсорные узлы состоят из одного базового модуля и одного периферийного модуля, взаимодействующих между собой с помощью шины расширения сенсорного узла. Базовый модуль имеет два интерфейса, один из которых подключен к шине расширения сенсорного узла, а другой подключен к транспортной сети, а периферийный модуль имеет два интерфейса, один из которых подключен к шине расширения сенсорного узла, а другой подключен к датчику или исполнительному механизму. Транспортная сеть построена на базе протоколов межсетевого взаимодействия IPv4 и/или IPv6.
2
В качестве шины расширения сенсорного узла используются шины на базе IС или CANbus.
В качестве транспортной сети используются различные сетевые технологии, например Ethernet, сеть IEEE 802.15.4, USB, IRDA, GSM/GPRS, CANbus, PLC, а также сетевая инфраструктура операторов связи.
В наиболее предпочтительном варианте исполнения полезной модели сенсорный узел состоит из базового модуля и нескольких периферийных модулей, а периферийный модуль имеет несколько интерфейсов для подключения различных датчиков и/или исполнительных механизмов, например интерфейсы 4-20 мА, 0-24 В, "сухой контакт", RS-232, RS-422, RS-485, интерфейсы для подключения термопары, медных и платиновых термометров сопротивления, тензодатчиков с мостовой схемой включения, электрохимических датчиков газов.
На фиг.1 показана взаимосвязь между сенсорными узлами сенсорной сети с модульной архитектурой и управляющими компьютерами посредством транспортной сети.
На фиг.2 показан сенсорный узел сенсорной сети с модульной архитектурой с подключенными датчиками и исполнительными механизмами.
Сенсорная сеть с модульной архитектурой состоит из одного или более сенсорных узлов 1, к которым подключаются датчики 2 и/или исполнительные механизмы 3, и одного или нескольких управляющих компьютеров 4, взаимодействующих с сенсорными узлами посредством транспортной сети 5.
Сенсорный узел состоит из модулей двух видов: базового модуля 6 и одного или более периферийных модулей 7 и 8.
Каждый базовый модуль 6 имеет один интерфейс для подключения к шине расширения сенсорного узла 9 и один интерфейс для подключения к транспортной сети 5.
Каждый периферийный модуль имеет интерфейс для подключения к шине расширения сенсорного узла 9 и один или более интерфейсов для подключения датчиков 1 и/или исполнительных механизмов 2, например: вход токовой петли 4-20 мА, выход токовой петли 4-20 мА, выход напряжения 0-24 В, выход напряжения 0-5 В, вход "сухой контакт", RS-232, RS-485, RS-422, RS-485, вход для подключения термопары, вход для подключения медного и платинового термометра сопротивления, вход для подключения тензодатчика с мостовой схемой включения, вход для подключения электрохимических датчиков газа и др.
2
В качестве шины расширения сенсорного узла 9 используются шины на базе IС или CANbus.
В качестве транспортной сети 5 может использоваться Ethernet, сеть IEEE 802.15.4, USB, IRDA, GSM/GPRS, CANbus, PLC (телекомуникации по сетям электропитания) и другие сетевые технологии. Выбор сетевой технологии определяется спецификой конкретного приложения сенсорной сети. В одной сенсорной сети может сочетаться несколько сетевых технологий, поэтому обмен информацией между сенсорными узлами и управляющими компьютерами осуществляется по протоколу межсетевого обмена (Internet protocol) версии 4 (IPv4) или версии 6 (IPv6). Возможно использование в качестве транспортной сети сетевой инфраструктуры операторов связи - провайдеров услуг Интернет.
В случаях, когда используемые датчики и исполнительные механизмы не требуют стационарного электропитания, сенсорные узлы допускают автономное (батарейное) электропитание.
Сенсорная сеть с модульной архитектурой функционирует следующим образом.
Периферийные модули сенсорного узла обеспечивают подключение к сенсорному узлу датчиков и/или исполнительных механизмов. Информация от датчиков преобразуется периферийными модулями в цифровую форму и передается на базовый модуль сенсорного узла.
Базовые модули сенсорного узла обеспечивают подключение сенсорного узла к транспортной сети, а также реализуют алгоритмы опроса датчиков, первичный локальный анализ данных, полученных от датчиков, локальное управление исполнительными механизмами, передачу данных от датчиков на управляющий компьютер, передачу команд управления от управляющего компьютера на исполнительные механизмы. Программа микроконтроллера базового модуля сенсорного узла выполняет периодический опрос периферийных модулей сенсорного узла, первичный анализ данных, полученных при посредстве периферийных модулей сенсорного узла с датчиков и отправляет данные через транспортную сеть управляющему компьютеру.
На основании результатов первичного анализа показаний датчиков или по команде, полученной через транспортную сеть от управляющего компьютера, базовый модуль сенсорного узла передает на периферийный модуль сенсорного узла команды исполнительным механизмам.
Таким образом, реализуются функции сбора данных (мониторинга параметров объекта) и управления (передачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы).
Пример сенсорного узла с подключенными датчиками и исполнительными механизмами показан на Фиг.2. В состав данного сенсорного узла входит базовый модуль 6 с беспроводным интерфейсом транспортной сети стандарта IEEE 802.15.4, и два периферийных модуля 7 и 8. Взаимодействие между базовым модулем и периферийными модулями осуществляется по шине расширения сенсорного узла 9. Периферийный модуль 7 имеет интерфейс "вход 4-20 мА", через который осуществляет ввод данных с датчика давления 10. Периферийный модуль 8 имеет интерфейс "выход 0-24 В", через который осуществляет выдачу сигнала управления на клапан 11. Периферийный модуль 8 также имеет интерфейс "вход сухой контакт", через который осуществляет считывание состояния концевого выключателя 12. Программа микроконтроллера базового модуля 6 выполняет периодический опрос периферийных модулей, выполняет первичный анализ данных, полученных при посредстве периферийных модулей с датчика давления и концевого выключателя, и отправляет данные через интерфейс IEEE 802.15.4 19 и транспортную сеть на управляющий компьютер. На основании результатов первичного анализа показаний датчиков или по команде, полученной через транспортную сеть от управляющего компьютера, базовый модуль 6 передает на периферийный модуль 8 команды управления клапаном 11. Таким образом, сенсорный узел выполняет функции сбора данных (мониторинга параметров объекта) и управления (передачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы).
Сенсорные узлы сенсорной сети с модульной архитектурой создаются из выпускаемых промышленностью комплектующих, выбираемых из имеющейся номенклатуры комплектующих в соответствии с применяемым в конкретном случае типом транспортной сети и типами датчиков и исполнительных механизмов. Таким образом, разработка специализированных монолитных сенсорных узлов не является обязательной.
Кроме того, базовый и периферийный модули, образующие сенсорный узел, обеспечивают сопряжение сенсорного узла с широким разнообразием типов проводных и беспроводных транспортных сетей, датчиков и исполнительных механизмов. Периферийный модули сенсорной сети с модульной архитектурой имеют несколько различных интерфейсов, сенсорная сеть может использовать выпускаемые промышленностью датчики и исполнительные механизмы с широким спектром интерфейсов (4-20 мА, 0-24 В, 0-5 В, "сухой контакт", RS-232, RS-485, термопары, медные и платиновые термометры сопротивления, тензодатчики с мостовой схемой включения, электрохимические датчики газов и др.), в том числе датчики и исполнительные механизмы, уже имеющиеся на объекте, где предполагается использовать предлагаемую сенсорную сеть с модульной архитектурой. Все это позволяет сократить время и расходы на развертывание сенсорной сети с модульной архитектурой, а также легко и быстро адаптировать ее под конкретные условия использования.
Использование протоколов межсетевого обмена (IPv4 или IPv6) для связи с каждым сенсорным узлом позволяет выбирать наиболее удобную для конкретных условий использования сенсорной сети технологию, а также сочетать различные сетевые технологии внутри транспортной сети. Это также позволяет легко и быстро адаптировать сенсорную сеть с модульной архитектурой к различным условиями использования сенсорной сети. Выбор технологии осуществляется включением в состав сенсорного узла нужного типа базового модуля (Ethernet, IEEE 802.15.4, USB, GSM/GPRS и др.).
Таким образом, возможность быстрой реализации сенсорной сети, адаптированной под конкретное применение, обеспечивается за счет построения сенсорных узлов с нужным набором интерфейсов из известных комплектующих. Выбором типа базового модуля достигается адаптация сенсорного узла к используемому типу транспортной сети. Выбором типов и количества периферийных модулей достигается адаптация сенсорного узла к типам и количеству датчиков и исполнительных механизмов, которые должен обслуживать данный сенсорный узел. Построение сенсорных узлов из известных комплектующих представляет собой процесс "отверточной сборки", который занимает несколько минут. В то же время разработка сенсорного узла в виде специализированного устройства (разработка принципиальной схемы, печатной платы, комплектация, пайка, отладка) занимает несколько месяцев.
Уменьшение габаритов сенсорных узлов по сравнению с универсальными сенсорными узлами с монолитной конструкцией достигается за счет модульности архитектуры сенсорной сети. Каждый модуль сенсорной сети при этом реализует небольшое количество функций, что позволяет выполнить каждый такой модуль максимально компактным.
Уменьшение стоимости сенсорных узлов по сравнению с универсальными сенсорными узлами с монолитной конструкцией достигается за счет того, что сенсорный узел с модульной конструкцией содержит только те интерфейсы, которые необходимы в данном сенсорном узле.
Неограниченная территориальная протяженность сенсорной сети достигается за счет использования протоколов межсетевого взаимодействия (IPv4, IPv6) в транспортной сети. Благодаря использованию протоколов межсетевого взаимодействия в транспортной сети становится возможным сочетать сегменты сети, выполненные по различным технологиям: в рамках одного помещения может использоваться радиосеть IEEE 802.15.4 и/или Ethernet по кабелю "витая пара", между зданиями Ethernet по ВОЛС, между городами - сетевая инфраструктура операторов связи, предоставляющих доступ к Интернет.