Многофункциональный радиомодуль для поиска, обнаружения и сигнализации в труднодоступных районах

Полезная модель относится к области контроля и мониторинга как технических объектов, так и пользователя (групп пользователей) на основе технологии Промышленного Интернета вещей (IIoT), находящихся в контролируемой зоне (допустимой, повышенной опасности), а именно к устройствам контроля времени нахождения пользователя в зоне контроля, предупреждения пользователя об опасности и/или входа в зону повышенной опасности, временного контроля нахождения пользователя в зоне повышенной опасности, контроля основных видов действий технического объекта или пользователя по совокупности параметрических данных, принимаемых с контролируемых датчиков, а также передачи этих данных по радиорелейным и спутниковым каналам на сервер центра мониторинга для дальнейшего анализа и своевременного выявления нахождения пользователя в опасной зоне или получения сигнала определенного функционала.
Известны различные технические решения в области контроля и мониторинга.
Известен шлем с электронной защитой (патент РФ №2438539, опубл. 10.01.2012), который содержит корпус, имеющий жесткую наружную оболочку, жесткую внутреннюю оболочку, прикрепленную к наружной оболочке с образованием между ними полости, и поглощающую удары структуру, расположенную между внутренней оболочкой и головой пользователя при надетом шлеме, и интегрированную электронную систему, которая содержит микрофон и громкоговоритель и расположенные в указанной полости подсистемы: цифровых изображений; аудиоинформации; глобального позиционирования; мобильной связи; головного фонаря, ориентированного на обеспечение излучения света в пространстве перед пользователем; аккумулятора, обеспечивающего энергоснабжение.
Также из уровня техники известна защитная каска с устройством автоматического контроля эксплуатации, (патент на ПМ №183600 U1), которая объединяет каску и голову пользователя в единое конструктивное и информационное пространство с целью контроля эксплуатации каски в соответствии с установленными нормами и правилами в течение рабочего времени. Контроль осуществляется посредством использования двух групп электронных датчиков и устройства автоматического контроля эксплуатации. Первая группа датчиков - оптоэлектронные датчики. В качестве второй группы датчиков используется акселерометр, обеспечивающий идентификацию двигательной активности человека в процессе эксплуатации каски. Кроме того, устройство автоматического контроля включает плату контроллера, процессор, установленный на плате контроллера, и совокупность устройств, обеспечивающих оценку, запоминание и хранение информации о моментах изменения состояния системы «голова человека - защитная каска». Устройство автоматического контроля сигнализирует о нарушении правил эксплуатации защитной каски; обеспечивает передачу сохраненной за период эксплуатации каски информации по каналу беспроводной связи на внешние устройства с целью предоставления администрирующим органам. Реализуемый устройством автоматический контроль эксплуатации защитной каски мотивирует пользователя к соблюдению правил техники безопасности.
Также из уровня техники известен радиомодуль для каски, который взят за прототип (патент на ПМ №197118 U1). Радиомодуль для каски имеет встроенные датчики акселерометр, гироскоп, компас и барометр, а также световой и звуковой извещатели, вибромотор, тревожную кнопку. При этом все элементы радиомодуля подключены к контроллеру и к элементу питания, причем радиомодуль выполнен в виде корпуса с возможностью крепления на защитную каску, также радиомодуль выполнен с возможностью определения своего местоположения и с возможностью сбора данных с носимых устройств/датчиков и встроенных датчиков, а также передачи/приема сигналов на(с) маяк(а) и передачи полученных данных на удаленный сервер. Также модуль выполнен с возможностью получения сигналов оповещения и контроля ношения средств индивидуальной защиты (СИЗ), причем при удалении от привязанных СИЗ модуль выполнен с возможностью подачи заранее выбранного светового, и/или звукового, и/или вибрационного сигнала оповещения и отправления соответствующего сигнала на сервер. Радиомодуль для каски с возможностью определения местоположения выполняется с помощью установленного в корпусе радиомодуля приемника спутниковых сигналов, который подключен к контроллеру и к элементу питания. Радиомодуль для каски с возможностью передачи/приема сигналов с маяков (BLE-биконов) выполняется с помощью BLE-радиоинтерфейса, имеющегося в радиомодуле, при этом контроль ношения СИЗ также выполняется с помощью BLE-радиоинтерфейса при предварительной привязке СИЗ к радиомодулю. Также возможна передача данных на сервер и получения оповещений через приложение, подключенного к радиомодулю при помощи BLE-радиоинтерфейса мобильного устройства. Радиомодуль для каски с возможностью передача/прием сигналов с маяков выполняется с помощью UWB-радиоинтерфейса, имеющегося в радиомодуле. Радиомодуль для каски с возможностью передачи данных на удаленный сервер, а также информация об уровне заряда аккумуляторной батареи, факта наличия/отсутствия движения от акселерометра, ориентации в пространстве и данные от подключенных датчиков по BLE-радиоинтерфейсу передаются посредством радиоинтерфейса LoRaWAN, имеющегося в радиомодуле. Радиомодуль для каски с возможностью светового извещения выполнен из светодиода, расположенного на корпусе модуля таким образом, что при расположении на каске модуля светодиод находится в области периферического зрения пользователя.
Недостатками прототипа является узкая область применения, а именно отсутствие возможности применять его на технические изделия, машины, агрегаты, а также одежду, снаряжение или части тела человека, отсутствие возможности работы в отказоустойчивом режиме (резервирования канала связи) и выбора режима работы (резервирования модуля передачи), отсутствие программируемых функциональных кнопок извещателей для оповещения (отмены), отсутствие реализации в функциональных кнопках программируемых таймеров извещения, а также контроля времени нахождения объекта в допустимой и опасной зоне, отсутствие функционала принятия решения/извещение светового и звукового о нахождении объекта контроля в опасной зоне даже в случае отсутствия связи объекта контроля с центром мониторинга, отсутствие возможности контроля нахождения объекта как по каналам радиосвязи, так и с применением систем спутниковой связи по радиоинтерфейсу LoRaWAN, отсутствие соответствия стандартам по пылевлагозащите.
Задачей предлагаемого решения является создание Многофункционального радиомодуля для поиска, обнаружения и сигнализации в труднодоступных районах далее (радиомодуль), обеспечивающего повышение уровня контроля технического изделия или пользователя, находящегося в допустимой и опасных зонах большой протяженности, с возможностью выявления опасных ситуаций, а также с одновременным исключением вышеуказанных недостатков прототипа.
Технический результат заключается в расширении перечня объектов контроля; а также в применении технологий резервирования как каналов связи (радиоканал, спутниковый канал связи), так и радиомодуля с помощью выбора режима работы ведущий/ведомый/автоматический для повышения отказоустойчивости системы контроля в целом; также в повышении безопасности пользователя при нахождении в допустимых или опасных зонах за счет контроля времени нахождения объекта в опасной зоне и возможной обратной связи радиомодуля с центром мониторинга, реализуемой с помощью программируемого функционала тревожных кнопок, световой/звуковой сигнализации, а в случае выявления опасных ситуаций, принятие решения по параметрическим данным датчиков и снижение общего времени обнаружения критической ситуации.
Достигается данный результат за счет того, что радиомодуль содержит следующие встроенные датчики: акселерометр, гироскоп, навигационный компас и барометр, а также световой и звуковой извещатели, вибромотор, тревожные кнопки с программируемой логикой извещения (включения/отключения), световая/звуковая индикация режима работы, программируемые таймеры извещения, режимы работы, выбираемые по заданным правилам: ведущий/ведомый/автоматический, элементы радиомодуля, подключенные к контроллеру и к элементу питания, корпус с возможностью крепления на объекты контроля, такие как технические изделия, машины, агрегаты, одежда, снаряжение или части тела человека; возможность определения своего местоположения (с возможностью сбора параметрических данных от датчиков, подключенных в единую группу в режиме ведомый и с помощью встроенных датчиков), а также информация об уровне заряда аккумуляторной батареи и факте наличия/отсутствия движения от акселерометра, ориентации в пространстве, а также передачи/приема сигналов посредством радио интерфейса по стандартам: LoRaWAN, СТРИЖ (XNB), Вавиот (NB-Fi), далее (радиоинтерфейс) на удаленный сервер через наземную базовую станцию в зоне покрытия или на станцию спутниковой системы связи, выполненный в соответствии со стандартом по пылевлагозащите.
Радиомодуль работает по заданной программе, активизируемой абонентом или оператором центра мониторинга или автоматическим программным обеспечением центра управления в одном из режимов: режиме ведущий/ведомый/автоматический. Режим работы позволяет активировать основное устройство в группе (ведущий), остальные выполняют роль ведомых и осуществляют связь с основным устройством (ведущим) для передачи параметрических данных с датчиков контроля. В случае выхода из строя ведущего радиомодуля (определяется программно по отсутствию отклика от основного устройства) в случае поломки или снижения заряда батареи, осуществляется автоматический выбор ведущего из имеющихся устройств в группе ведомых.
В режиме «автоматический» радимодуль осуществляет автоматический выбор ведущего в группе по заданным правилам. Далее определенный по заданным правилам ведущий радиомодуль принимает параметрическую информацию с датчиков контроля как своего радиомодуля (ведущего), так и ведомых, и передает ее по радиоканалу или спутниковому каналу связи на сервер центра мониторинга. На сервере в центре мониторинга содержатся эталонные допустимые значения параметров и значения, которые характерны для высокого уровня опасности, превышение которого говорит о критической ситуации относительно принятой системы расчета координат на местности. В случае, если параметрическая информация не превышает допустимых эталонных значений параметров, то она добавляется на сервер центра мониторинга, тем самым осуществляя его обучение. Отклонения от заданных допустимых значений до границ опасного уровня считаются допустимыми и сопровождаются при этом световой/звуковой сигнализацией. Превышение параметрических значений уровня опасной зоны, полученных с датчиков радиомодуля, приводит к принятию решения о наступлении опасной (критической) ситуации, после чего осуществляется световая/звуковая сигнализация на объект контроля, ожидается реакция со стороны объекта контроля, осуществляется вызов группы спасателей. Принятие решения об опасной (критической) ситуации принимается не только на основании параметрической информации, получаемой с датчиков радиомодуля, и сравнения ее с базой данной эталонов, но и по динамике их изменения во времени, а также совокупности значений нескольких разнотипных параметров по заданным правилам.
Радиомодуль в режим «ведущий» переводится абонентом или оператором центра мониторинга, определяет свое местоположение с помощью сигналов от установленного в корпусе радиомодуля приемника ГЛОНАС, собирает параметрическую информацию с датчиков акселерометра, гироскопа, навигационного компаса и барометра, которые подключены к контроллеру и к элементу питания. Радиомодуль осуществляет передачу/прием сигналов с ведомых устройств с помощью радиоинтерфейса, имеющегося в радиомодуле, при этом осуществляется сбор всей параметрической информации с датчиков аналогично ведущему модулю и с помощью радиоинтерфейса или по спутниковому каналу связи осуществляет передачу данных на сервер. Резервирование канала связи, выбор приоритетного канала связи устанавливается автоматически или по заданным правилам в центре мониторинга. Сервер хранит, анализирует и сравнивает полученную информацию с допустимыми эталонными значениями. В случае входа объекта контроля - пользователя с радиомодулем в контролируемую допустимую и/или опасную зону, пользователь (оператор) настраивает программируемые датчики на время нахождения в этой зоне, тем самым обеспечив постановку на контроль объектов на сервере мониторинга. В случае обнаружения опасных ситуаций перечень настраивается отдельно по заданным правилам (дождь, снег, пожар, требуется медицинская помощь) и осуществляется реакция - обратная связь пользователя с центром мониторинга с помощью включения программируемой функциональной кнопки на радиомодуле. Реакция центра мониторинга на изменение параметрической информации, принимаемой с датчиков для различных уровней, производится так же, как и для автоматического режима работы. В случае невозможности технического объекта или оператора осуществить программируемую логику постановки объекта на контроль, контроль объекта осуществляется в автоматическом режиме по имеющейся эталонной базе данных допустимых значений параметрической информации, хранимой в самом радиомодуле. В случае попадания объекта в опасную зону или превышения допустимого времени нахождения в опасной зоне, осуществляется звуковая и световая индикация с одновременным сигналом на сервер центра мониторинга. В случае отсутствия реакции от объекта контроля, предусмотрено принятие решения о наступлении критической ситуации и вызове группы спасателей.
Радиомодуль представляет собой автономное радиочастотное устройство небольшого размера и веса, оснащенное чехлом с креплением к техническим изделиям, машинам, агрегатам, а также к одежде, снаряжению, в том числе на защитную каску, шлем, пояс. Корпус радиомодуля имеет световую и звуковую сигнализацию, группу кнопок с программируемой логикой, а также кнопки выбора режима работы: автоматический/ведущий/ведомый.
Краткое описание чертежа:
фиг. 1 - общий вид, габаритные размеры радиомодуля;
фиг. 2 - варианты крепления на снаряжение и одежду;
фиг. 3 - вариант применения на местности с допустимыми и опасными зонами.
Заявленный радиомодуль работает следующим образом. На фиг. 1 изображен общий вид и габаритные размеры предлагаемого решения. Режим работы определяется функциональным режимом его работы: автоматический/ведущий/ведомый, суть которого заключается в выборе головного устройства в группе и обеспечении отказоустойчивости канала связи программными методами. Группа объектов ведущий/ведомый (uN, фиг. 3) представляет собой единый объект контроля, характеризующийся значениями параметрических датчиков и скоростью изменения их значений. На фиг. 2. представлены варианты закрепления радиомодуля на снаряжении, ремне (кармане пользователя). Ведущий отвечает за связь с сервером и передачу/прием параметрической информации на/от сервера. Предусмотрена смена ролей ведущего/ведомого в случае неработоспособности или разряда батареи. Ведомые собирают параметрическую информацию, по радиоинтерфейсу передают ее ведущему и осуществляют контроль работоспособности субъектов в группе. Ведущий по радиоинтерфейсу передает информацию на сервер для ее последующей обработки.
В случае нахождения объекта контроля в допустимой зоне (фиг. 3), объект находится в зоне контроля оператора центра мониторинга (представлено зеленым цветом), осуществляется обучение системы серверной подсистемы значениями параметрической информации с датчиков объекта контроля. При входе в зону повышенной опасности предусмотрена сигнализация следующими вариантами (фиг. 3 красная зона пребывания объекта):
1. Запланированный вход в зону опасности с программируемыми таймерными механизмами тревожных кнопок (фиг. 1). В случае отсутствия реакции от объекта контроля за время таймерного механизма подачи сигнала об опасности оператору, а также объекту контроля звуковой/световой сигнализации, происходит формирование сигнала о критической ситуации в центр управления и вызов группы спасателей.
2. По сигналу оператора, когда параметрические значения датчиков мониторинга говорят о нарушении границ опасной зоны или режимов работы объекта в опасной зоне (фиг. 3 - выход объекта в красную зону), происходит формирование сигнала о критической ситуации в центр мониторинга и вызов группы спасателей в автоматическом или автоматизированном (с участием оператора) режиме.
3. В случае любого входа/выхода в опасную зону предусмотрена световая и звуковая сигнализация на радиомодуле (фиг. 1), включаемая как самим модулем, так и оператором центра мониторинга, а также формирование сигнала о критической ситуации и вызов группы спасателей.
4. Принятие решение радиомодулем на основе имеющейся у него системы координат и параметрической информации с датчиков контроля о нахождении в допустимой и опасной зоне и подаче сигнала тревоги, в том числе пользователем через программируемые функциональные кнопки, а также в случае потери связи с центром мониторинга, происходит формирование сигнала о критической ситуации и вызов группы спасателей.
Также предусмотрена индикация на устройстве, говорящая о потере связи с системой, при этом возможна световая индикация на радиомодуле в случае его неисправного состояния или минимального заряда источника питания, при этом радиомодуль отправляет данный сигнал на сервер. Наличие функциональных кнопок обеспечивает возможность вызова требуемой помощи при несчастном случае, аварийной или опасной ситуации.
По данным со встроенных акселерометра, гироскопа, компаса и барометра происходит уточнение положения радиомодуля в пространстве, контроль неподвижности, падений, ударов, измерение скоростей изменения данных параметров. При этом радиомодуль способен работать в режиме offline, если нет возможности передачи данных, с возможностью сохранения основных и ключевых событий во внутренней памяти устройства, принятия решения о нахождении в опасных и допустимых зонах, с последующей их передачей при восстановлении канала связи.
Радиомодуль содержит аккумуляторную батарею и индукционную катушку, которая позволяет помимо существующего разъема электропитания, применять беспроводную зарядку устройства при наличии модуля беспроводной зарядки. Корпус радиомодуля выполняют по стандарту IP67, а длительность работы батареи на одном заряде достигает до 3 недель при работе по стандарту LoRaWAN, рабочая температура от -40 до +85°С.
Радиомодуль обладает следующими техническими характеристиками и функциональными возможностями:
LoRaWAN - радиоинтерфейс: передача данных на расстояние до 15 км;
нелицензируемый частотный диапазон 868 МГц;
частота передачи данных до 1 раза в 10 секунд;
передача полученных данных на сервер;
приемник спутниковой навигации: определение местоположения с точностью до 5 м.
автономная работа радиомодуля до 120 часов.
Таким образом, применение данного радиомодуля позволяет предотвращать несчастные случаи за счет контроля местонахождения пользователя (группы) в труднодоступных местах, заблаговременно предупреждать пользователя об опасности, а персонал центра мониторинга - о возможных опасных ситуациях, что позволит повысить безопасность пользователей при нахождении в зонах допустимой и повышенной опасности, а также улучшить безопасность отдельных территорий, например, в случае своевременного выявления пожара или других стихийных бедствий.
Выше были подробно описаны некоторые варианты применения настоящего изобретения и его преимущества, однако следует понимать, что оно допускает изменения, замены, модификации, вариации и альтернативы, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения, которые определены прилагаемой формулой изобретения.
Настоящее изобретение может найти широкое применение для обеспечения безопасности как пользователей, находящихся в допустимых и опасных зонах, так и труднодоступных территорий за счет своевременной реакции на опасную ситуацию или ее предотвращение и вызова группы спасения.