Телеметрическое устройство сбора информации и мониторинга за удаленным объектом

Полезная модель относится к устройствам приема и передачи данных в системах телеметрии, в частности, использующие беспроводную технологию для межмашинного взаимодействия и действующие в автономном режиме.
Известно устройство приема и передачи в системе телеметрии (см. US № 5852409, кл. G08C 17/02, G08C 17/00, H04B 1/16, G08B 023/00, опубл. 24.09.1996), связанное с измерительными датчиками и центральной станцией посредством приемопередающей антенны, приемопередатчика, контроллера, при этом связь с центральной станцией осуществляется с помощью радиоволн.
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности соединяться с другими такими же устройствами, входящими в состав системы телеметрии, передавать данные на эти устройства или на другие устройства и получать данные от этих устройств.
Известны сетевые стационарные устройства беспроводной дистанционной телеметрии с использованием различных сетей (Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, WNW), например, устройство с использованием ad-hoc сетей по патенту RU №2310293 (кл. H04Q 9/00, опубл. 10.11.2007), в котором система беспроводной связи включает телеметрическое устройство, мобильное устройство и центральный контроллер, при этом информацию от телеметрического устройства принимают посредством мобильного устройства через ad-hoc сеть (одноранговую сеть с произвольной структурой) и передают принятую информацию на центральный контроллер посредством мобильного устройства.
Недостатком известного устройства является ограниченность территориальных возможностей, определяемые сетевым взаимодействием.
Мультисенсорная радиосистема передачи данных (см. RU №83886, кл. H04M 3/00, опубл. 20.06.2009), содержащая датчики, исполнительные блоки, автоматизированные рабочие места подготовки исходных данных, автоматизированные рабочие места обработки и анализа телеизмерений, автоматизированное рабочее место администратора сети, управляющий блок, приемопередающий блок, приемопередающее устройство, усилитель, преобразователь, устройство управления, представляет собой систему сбора телеметрической информации на крупном объекте, информация с которого передается на управляющий пункт, где в ручном и автоматическом режиме обрабатывается множеством операторов, принимающие управляющие сигналы для объекта.
Известная система также состоит из стационарных и энергоемких устройств и не может быть использована, например, для работы в отдаленных или труднодоступных местах.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства приема и передачи данных в системах телеметрии с возможностью работы в автономном режиме в течение длительного периода времени.
Техническим результатом, получаемом при использовании полезной модели, является повышение эффективности сбора информации и мониторинга объектов на большой территории в труднодоступной местности в условиях отсутствия сетевой инфраструктуры и покрытия сотовой связью.
Для решения поставленной задачи телеметрическое устройство сбора информации и мониторинга за удаленным объектом, связывающееся с датчиками телеметрии, расположенными на удаленных объектах и выполненными с возможностью осуществления сбора, записи и передачи информации об удаленных объектах, представляющее собой мобильное устройство телеметрии, включающее модуль питания, модем, блок интерфейсов, антенное устройство и модуль памяти, отличается тем, что для использования технологии энергоэффективной связи, например, технологии передачи данных LPWA, являющейся протоколом взаимодействия устройств сети LPWAN, датчики телеметрии и модем мобильного устройства телеметрии оснащены модулями технологии энергоэффективной связи (LPWAN), кроме того, мобильное устройство телеметрии содержит вычислительный блок с сервисами сети и приложений, то есть устройство выполняет функции базовой станции, сервера сети и сервера приложений.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с известными признаками свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, создание надежного мобильного устройства несложной конструкции, характеризующегося низким энергопотреблением и длительностью работы в автономном режиме, использование которого позволяет расширить возможности систем телеметрии и повысить оперативность обработки получаемых данных.
Широко известно, что сбор информации и мониторинг объектов на большой территории в труднодоступной местности осуществляются с помощью спутниковых систем, например, таких как «Инмарсат», «Иридиум», «Коспас-Сарсат» и др. При этом подобные системы отличаются низким уровнем автономности оконечных узлов, высокой стоимостью оборудования и аренды спутникового канала.
В заявляемом техническом решении, в том числе, предлагается использовать технологию передачи данных на большие расстояния, например, LPWA, являющейся протоколом взаимодействия устройств сети LPWAN (англ. Low-power Wide-area Network - «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия»), разработанной для распределенных сетей телеметрии и межмашинного взаимодействия.
Технологии LPWA (Low Power Wide Area) предназначены для M2M (Machine-to-Machine)-приложений, которые используют низкоскоростной радиоканал передачи данных и могут работать автономно в течение длительного периода времени, что позволяет ее использовать, например, в отдаленных или труднодоступных местах. Особенности LPWA низкое энергопотребление (low-power) и широкий территориальный охват (wide-area) (см. http://1234g.ru/novosti/standart-lpwa-dlya-interneta-veshchej).
Экономное энергопотребление для передачи данных и, следовательно, большой срок службы батареи, имеют решающее значение для встраиваемой техники. Прогнозируется, что подобные энергоэффективные сети будут применяться в широком спектре приложений интернета вещей, таких, как отслеживание производственных активов, мониторинг безопасности, учет потребления воды и газа, а также в интеллектуальных сетях, городских парковках, торговых автоматах и городском освещении. Кроме того, к сети могут быть подключены носимые устройства, например, в трекерах для людей или животных.
При этом технология характеризуется высоким качеством радио покрытия (одна базовая станция может покрывать зону радиусом до 15 км на открытой местности), надежностью (технология обеспечивает высокую помехозащищенность канала и шифрование данных), энергоэффективностью (низкое энергопотребление позволяет создавать оконечные устройства, не требующие обслуживания и работающие от батарей в течение долгого времени).
Наиболее известны следующие стандарты технологии энергоэффективной связи LPWAN:
LoRaWAN - энергоэффективная сетевая технология, представленная исследовательским центром IBM Research и компанией Semtech. Использует широкополосное кодирование на физическом уровне, работает в субгигагерцовых диапазонах нелицензируемых частот;
«Стриж» - российская технология энергоэффективной связи, разработанная компанией «Стриж Телематика». Работает на частоте 868 МГц с использованием узкополосной модуляции радиосигнала;
Sigfox - французская компания, использующая технологию Ultra Narrow Band (UNB). Разворачивает LPWAN-сеть на территории Европы на частоте 868 МГц;
Weightless - группа открытых технологических стандартов связи LPWAN, развивающиеся некоммерческой организацией Weightless SIG. В настоящее время доступны 3 стандарта - Weightless-N, Weightless-P и Weightless-W, при этом используются нелицензируемые частоты субгигагерцового диапазона.
Заявленное устройство поясняется чертежом, где на фигуре показана функциональная схема устройства телеметрии.
LPWAN-сеть использует топологию «звезда», где каждое устройство взаимодействует с базовой станцией, которая принимает сигналы от всех устройств в радиусе своего действия, а сервер сети осуществляет управление всеми базовыми станциями сети. Далее, данные передаются на удаленный сервер приложений по доступному каналу связи, например, Ethernet, сотовая связь, спутниковый канал.
Для использования систем LPWAN в условиях большой территории в труднодоступной местности необходимо наличие стационарных источников питания базовых станций, сетевой инфраструктуры (Ethernet, сотовая связь, спутниковый канал) для соединения базовых станций сети с удаленным сервером приложений.
Заявляемое мобильное устройство телеметрии включает модуль питания 1, модем энергоэффективной связи 2, например, LPWA, вычислительный блок 3, модуль памяти 4 (например, SD-карта, Flash-накопитель), блок интерфейсов 5 (например, USB, Bluetooth, Ethernet, Wi-Fi) (см. фигуру), и выполнено в одном корпусе, во всепогодном, ударопрочном, пыле- и влагозащищенном исполнении. При этом антенна 6 подключается к разъему непосредственно или через антенный фидер в модеме 2.
Устройство имеет небольшие габариты и малый вес, может быть размещено на любом наземном и воздушном транспортном средстве, в том числе на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), и использоваться в стационарном и/или носимом вариантах.
При этом устройство не является сетевым устройством, а вычислительный блок 3 содержит встроенные сервер сети и сервер приложений.
Модуль питания 1 состоит из аккумуляторной батареи и блока преобразования напряжения и защиты. При установке устройства на транспортное средство питание может осуществляться от бортовой сети, а резервная аккумуляторная батарея используется в случаях отсутствия стационарного энергоисточника, например, в носимом варианте или варианте использования устройства в БПЛА.
Антенное устройство 6 может быть любого типа, широко известного и применяемого в технике.
Таким образом, заявляемое устройство одновременно является базовой станцией, сервером сети и сервером приложений.
Работа системы и мобильного устройства телеметрии заключается в следующем.
Объекты мониторинга оснащаются стандартными датчиками с модулем технологии энергоэффективной связи, например, LPWAN, в зависимости от вида задач для наблюдения - датчиками влажности, температуры, давления, концентрации различных веществ, движения, смещения и/или деформации объектов, а также, сейсмическими датчиками, трекерами и др.
Все датчики предварительно регистрируются на встроенном сервере сети мобильного устройства.
Получаемая информация через сервер устройства передается, например, на мобильное устройство пользователя (смартфон, планшет, ноутбук) с помощью интерфейсов модема, например, USB, Bluetooth, Ethernet, Wi-Fi или считывается с помощью переносных модулей памяти (Flash-памяти, SD карты).
Далее пользователь, используя мобильное приложение (программное обеспечение), обрабатывает полученную информацию.
Возможности работы в автономном режиме и оперативной обработки получаемых данных позволяют использовать устройство телеметрии заявленного решения в широком спектре сбора информации и мониторинга объектов на большой территории в труднодоступной местности в условиях отсутствия сетевой инфраструктуры и покрытия сотовой связью, например, при поисках пропавших и терпящих бедствие людей, мониторинге местоположения транспортных средств, наблюдении за миграцией животных и изменением окружающей среды, сборе метеорологической информации, информации о состоянии грунтов в зонах многолетней мерзлоты или объектов транспортной инфраструктуры, мониторинге природных и техногенных смещений и деформаций зданий и сооружений, для своевременного выявления сдвигов земной поверхности в районах добычи полезных ископаемых и др.
Решение вышеуказанных задач традиционными методами сопряжено с высокими материальными затратами, кроме того, характерны низкой оперативностью получаемых данных, что зачастую приводит к потере их актуальности.