Многофункциональный IoT-контроллер

Область техники
Полезная модель относится к многофункциональным IoT-контроллерам, в том числе к программируемым беспроводным логическим контроллерам предназначенным для мониторинга и управления электрооборудованием. В частности, многофункциональный IoT-контроллер может быть применим на производственных предприятиях для удаленного контроля состояния работы технологического оборудования, производственных машин, станков, агрегатов, а также для управления указанными объектами. Кроме того, многофункциональный IoT-контроллер может внедряться в системы освещения, что позволяет осуществлять удаленный мониторинг состояния работы осветительных приборов, осуществлять удаленное включение/выключение осветительных приборов, осуществлять сбор данных с приборов учета электроэнергии. При помощи нескольких многофункциональных IoT-контроллеров могут формироваться интерактивные карты объектов, за которыми осуществляется удаленный мониторинг и управление.
Уровень техники
Из уровня техники известен многофункциональный беспроводной контроллер по патенту на изобретение № RU 2678157 C1 от 20.03.2018 года. Изобретение предназначено для сбора данных от территориально удаленных объектов и дистанционного управления этими объектами. Изобретение представляет собой контроллер, содержащий микропроцессор с программной реализацией часов реального времени, энергонезависимую память для четырех независимых архивов, интерфейс USB, интерфейс RS-485, GSM/GPRS-модуль с антенной, четыре узла управления внешними объектами, гальванически развязанный шестиканальный узел согласования входных дискретных сигналов, четырехканальный узел преобразования тока в напряжение, резервное питание и датчик температуры.
Данное устройство имеет следующие недостатки.
Во-первых, определение местоположения контроллера происходит при помощи системы GPRS. Система GPRS - это надстройка над технологией мобильной связи GSM. Определение местонахождения контроллера при помощи GPRS не является надежным, так как точность определения местоположения контроллера сильно зависит от количества и расположения базовых станций GSM-сети. Известно, что данный способ определения местоположения обеспечивает низкую точность позиционирования, в частности, координаты объекта могут отличаться от реального местоположения на 50-500 метров. Стоит учесть, что заявленный многофункциональный IoT-контроллер допускает возможную погрешность определения истинного местоположения в пределах 2-6 метров.
Во-вторых, в указанном контроллере в качестве резервного питания использован литий-ионная АКБ. Известно, что данный тип аккумуляторов характеризуется ограниченным диапазоном рабочих температур. В частности, литий-ионный АКБ подвержен значительному снижению ёмкости и токоотдачи при низких климатических температурах. Так при отсутствии основного питания литий-ионный АКБ как резервный источник питания не позволяет обеспечить требуемое время работы контроллера в аварийном состоянии.
В-третьих, указанный контроллер не имеет защиты от негативных условий окружающей среды.
Вышеупомянутый многофункциональный беспроводной контроллер по патенту на изобретение № RU 2678157 C1 от 20.03.2018 года имеет целый ряд общих решений в конструктивном построении, однако не выбран в качестве наиболее близкого аналога, так как модем не имеет поддержки IoT- технологии связи, на основе которой в современном мире строится подавляющее большинство IoT-систем.
Наиболее близким аналогом является универсальный модульный IoT-контроллер для системы глобального мониторинга и управления энергопотреблением по патенту на полезную модель № RU 192192 U1 от 19.02.2019 года. Полезная модель представляет собой соединение запоминающих устройств, устройств ввода-вывода, устройств центрального процессора, устройств передачи информации или других сигналов между этими устройствами, и предназначенных для использования в системах глобального мониторинга и управления энергоресурсами на основе IoT-технологии. В частных случаях, IoT-контроллер для системы глобального мониторинга и управления энергопотреблением может включать такие части как микропроцессор, энергонезависимую память, несколько интерфейсов RS485, GSM/GPRS-модуль для связи контроллера с IoT- центром, твердотельное реле для включения и выключения внешних приборов по командам центрального процессора, дискретные входы для контроля состояния внешних приборов,
аккумуляторную батарею.
Недостатком данного IoT-контроллера является также недостаточная надежность определения местоположения контроллера, так как используется определение местоположения по системе GPRS. Кроме того, при выходе из строя системы GPRS отсутствует резервный модуль, позволяющий определять местоположение контроллера. Данный IoT-контроллер также не имеет защиты от негативного воздействия окружающей среды.
Раскрытие сущности полезной модели
Технической задачей является создание надежного многофункционального IoT-контроллера, способного определять местоположение с требуемой точностью, сравнительно долго поддерживать работу в условиях низких климатических температур и негативных условиях окружающей среды.
Технический результат заключается в повышении точности позиционирования IoT-контроллера.
Технический результат достигается тем, что многофункциональный IoT-контроллер содержит встроенные в корпус и электрически связанные между собой микропроцессор с программной реализацией часов реального времени, энергонезависимую память, модем c антенной, интерфейс RS-485 с клеммами, дискретные входы, реле управления внешними объектами, выходы управления внешними объектами, светодиодную индикацию, контроллер заряда, аккумуляторную батарею, стабилизатор питания, разъем питания, GNSS-антенну.
Надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. (ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения)
В отличие от аналогов многофункциональный IoT-контроллер имеет сразу два варианта определения местоположения: GNSS-антенну 12 и модем 4 с поддержкой стандарта сотовой связи GPRS. GNSS-антенна 12 используется как основной канал определения местоположения контроллера, а модем 4 с поддержкой стандарта сотовой связи GPRS - в качестве резервного, таким образом местоположение многофункционального IoT-контроллера всегда будет отображаться на диспетчерском пункте даже при выходе из строя одной из систем определения местоположения.
Надёжность работы устройства определяется точностью определения местоположения контроллера. Как отмечалось выше, надежность - это “способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения”. Заявленный многофункциональный IoT-контроллер может быть установлен, например, в промышленных цехах. Зачастую удалённо с диспетчерского пункта необходимо контролировать и управлять сразу группой энергопотребителей, например, освещением и производственными станками. Не всегда имеется техническая возможность подключить, например, и станки и освещение к одному IoT-контроллеру и в одном месте. Таким образом, появляется ситуация, при которой в одном цеху в разном местоположении установлено несколько многофункциональных IoT-контроллеров, и каждый из них отвечает за мониторинг и управление определёнными энергопотребителями. Заявленный многофункциональный IoT-контроллер за счет внедрения GNSS-антенны 12 позволяет сравнительно точно определить местоположение контроллера в сравнении с определением местоположения по GPRS. Если говорить точнее, то заявленный многофункциональный IoT-контроллер способен с учетом погрешности относительно точно указывать на свое местоположение оператору диспетчерского пункта, а значит выполнить требуемую от него функцию в заданных условиях применения.
Многофункциональный IoT-контроллер следует считать надёжным, если он обеспечивает достаточное время работы в аварийном состоянии. Аварийным считается состояние, при котором отсутствует основное питание, а питание IoT-контроллера осуществляется от резервного источника питания аккумуляторной батареи. Использование именно литий-железо-фосфатной АКБ 14 позволяет даже при низких климатический условиях поддерживать работу устройства до 60 минут с возможностью передачи на диспетчерский пункт информации о местоположении IoT-контроллера.
Надежность контроллера в том числе достигается и за счет исполнения корпуса с защитой IP65, что исключает попадание пыли и брызг внутрь на составные части кросс-платы.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена структурная схема многофункционального беспроводного контроллера.
На фиг. 1 указаны следующие позиции:
1 - микропроцессор,
2 - часы реального времени,
3 - энергонезависимая память,
4 - модем,
5 - антенна,
6 - держатель SIM,
7 - интерфейс RS-485,
8 - клеммы,
9 - светодиодная индикация,
10 - дискретные входы,
11 - выходы управления внешними объектами,
12 - GNSS-антенна,
13 - разъем питания,
14 - литий-железо-фосфатная АКБ,
15 - контроллер заряда,
16 - стабилизатор питания,
17 - импульсный блок питания,
18 - реле управления внешними объектами,
19 - защитное реле,
20 - преобразователь,
21 - разъем питания дискретных входов,
22 - корпус.
Осуществление полезной модели
Далее подробно описаны все составляющие настоящей полезной модели со ссылкой на чертежи и указанные на них ссылочные позиции для более полного понимания объема и всех технических аспектов заявленного технического решения специалистом в уровне техники.
На фиг. 1 изображена структурная схема многофункционального IoT-контроллера. Все части контроллера 1-21, указанные на фиг. 1 размещены на кросс-плате, которая встроена в общий корпус 22.
Многофункциональный IoT-контроллер состоит из микропроцессора 1 с программной реализацией часов реального времени 2, энергонезависимой памяти 3, модема 4 с антенной 5, держателя SIM 6, не менее двух интерфейсов RS-485 7 с клеммами 8, светодиодной индикации 9, не менее двенадцати дискретных входов 10, не менее четырех выходов управления внешними объектами 11, GNSS-антенны 12, разъема питания 13, литий-железо-фосфатной АКБ 14, контроллера заряда 15, стабилизатора питания 16, импульсного блока питания 17, реле управления внешними объектами 18, защитного реле 19, преобразователя 20, разъема питания дискретных входов 21.
Микропроцессор 1 обеспечивает обработку полученной информации от других частей IoT-контроллера, а также ход программно реализованных часов реального времени 2.
Часы реального времени 2 имеют программную реализация и необходимы для работы IoT-контроллера по заданному временному графику.
Энергонезависимая память 3 выступает хранилищем за записи информации о работе IoT-контроллера в периоды, когда модем 4 теряет связь с диспетчерским пунктом.
Модем 4 с антенной 5 служит для обеспечения непрерывной двусторонней беспроводной связи контроллера с диспетчерским пунктом. В держатель SIM 6 устанавливаются SIM-карты любого оператора сотовой связи. Модем 4 поддерживает передачу информации по таким стандартам сотовой связи как GPRS, GSM, LTE и NB-IoT. Преимущественно передача данных между IoT-контроллером и диспетчерским пунктом осуществляется именно по стандарту сотовой связи NB-IoT так как данный стандарт связи позволяет существенно снизить энергозатраты IoT-контроллера на передачу данных в диспетчерский пункт за счет передачи данных малого объема. В случае если по разъему питания 13 прерывается подача электроэнергии, IoT-контроллер переходит в резервный режим питания от литий-железо-фосфатной АКБ 14. Обмен данными по стандарту сотовой связи NB-IoT позволяет IoT-контроллеру значительно дольше осуществлять связь с диспетчерским пунктом чем, например, при обмене данными по стандарту сотовой связи LTE. Данный факт несомненно влияет на надежность и работоспособность работы IoT-контроллера.
Интерфейс RS-485 7 с клеммами 8 предназначен для подключения внешних устройств с таким же аналогичным интерфейсом, что позволяет подключать к Iot-контроллеру, например, приборы учета показаний электроэнергии и удалённо получать информацию о количестве потребленной электроэнергии прямо с диспетчерского пункта.
Светодиодная индикация 9 служит для визуальной информированности работы Iot-контроллера. Светодиодная индикация 9 оповещает о наличии питания на разъеме питания 13, о работе выходов управления внешними объектами 11, об обмене данными по интерфейсу RS-485 7, о степени заряда литий-железо-фосфатной АКБ 14.
Дискретные входы 10 имеют гальваническую развязку от внешних объектов и принимают дискретные сигналы типа «включен/выключен». Дискретные входы 10 могут применяться для мониторинга состояния различных датчиков и электропотребителей, например, состояние открытой/закрытой двери, состояние света включен/выключен, состояние работы станка включен/выключен. Преимуществом заявленного многофункционального Iot-контроллера является возможность подключения до 12 датчиков в дискретные входы 10. Разъем питания дискретных входов 21 служит для электроснабжения дискретных входов 10, при этом электрический ток проходит через преобразователь 20 для создания напряжения требуемой величины.
К выходам управления внешними объектами 11 подключается до четырех объектов, например, таких как осветительные приборы и/или технологическое оборудование.
GNSS-антенна 12 позволяет сравнительно точно определять местоположение Iot-контроллера. При этом местоположение определяется именно с помощью спутниковых систем, в том числе, таких как GPS/ ГЛОНАСС. Известно, что современные спутниковые системы связи позволяют установить позицию объекта довольно точно. Так погрешность системы спутниковой связи ГЛОНАСС составляет 2 - 6 метров, а у GPS - 2 - 4 м, усредненные значения можно считать от 2 до 6 метров. Далее для раскрытия особенностей определения местоположения с помощью GNSS-антенны 12 намеренно в основу взята система GPS, но сказанное в равной степени может применяться и для системы ГЛОНАСС. Как уже отмечалось выше, многофункциональные Iot-контроллеры применяются для мониторинга состояния объектов. Многофункциональный Iot-контроллер следует считать надежным, если он позволяет с требуемой точность указать свое местоположение, т.е. Iot-контроллер выполняет требуемую функцию в заданном режиме и условиях применения. Указание местоположения с погрешностью от 2 до 6 метров следует считать надежной и сравнительно точной. Важность точного определения местоположения заключается в следующем. Выше уже приводился пример, в котором указывалось, что несколько многофункциональных Iot-контроллеров могут быть установлены в пределах одного производственного помещения, например, производственного помещения площадью около 200 кв.м. Состояние работы Iot-контроллера отслеживают в диспетчерском пункте. При пропадании основного питания на разъеме питания 13 многофункциональный Iot-контроллер переходит в аварийный режим работы для потребления питания от резервного источника - литий-железо-фосфатной АКБ 14. Оператору диспетчерского пункта необходимо точно определить, какой из Iot-контроллеров не может работать с полным функционалом и куда направить ремонтную группу. GNSS-антенна 12 с определением местоположения по GPS сможет указать на местоположение Iot-контроллера. У рассматриваемых аналогов определение местоположения происходит по системе GPRS с погрешностью от 50 до 500 метров, несомненно данная система не позволит установить оператору диспетчерского пункта какой из нескольких Iot-контроллеров в одном производственном помещении не работает с полным функционалом. Еще ярче необходимость точного определения местоположения раскрывается при установке Iot-контроллера на опоры электроосвещения. Оператор диспетчерского пункта может точно определять местоположение Iot-контроллера находящегося в неисправном состоянии.
Кроме того, надёжность Iot-контроллера достигается за счет одновременного существования двух систем определения местоположения - по GPS и по GPRS. В случае неисправности GNSS-антенны 12, у модема 4 не пропадает функционал по определению местоположения по GPRS, и, наоборот, при слабом сигнале сотовой сети GPRS или полном отключении связи от модема 4 с диспетчерским пунктом сохраняется возможность определения местоположения по GPS. Дополнительным преимуществом наличия GNSS-антенны 12 является возможность программной реализации на диспетчерском пункте карты местоположения установленных многофункциональных Iot-контроллеров. Реализация GNSS-антенны 12 также позволяет синхронизировать время на Iot-контроллере со спутниками.
Разъем питания 13 служит для подключения питания многофункционального Iot-контроллера от сети 220В.
Литий-железо-фосфатная АКБ 14 является резервным источником питания Iot-контроллера, и осуществляет питание в аварийном состоянии при отключении питания от основного источника питания по разъему питания 13. В качестве аккумуляторной батареи выбрана именно литий-железо-фосфатная АКБ 14 (LiFePO4). Наиболее важным в отношении надежности работы Iot-контроллера преимуществом литий-железо-фосфатной АКБ 14 в сравнении с литий-ионными аккумуляторными батареями является работа в условиях низких климатических температур. Под низкими климатическими температурами понимается температура от 0 до -30°С. Многофункциональный Iot-контроллер признаётся надёжным при его способности поддерживать связь с диспетчерским пунктом не менее 60 минут в условиях низких климатических температур. Литий-железо-фосфатная АКБ 14 способна долговечно работать в диапазоне от -30 до +50°С без снижения её характеристик. Литий-ионные аккумуляторные батареи способны работать в диапазоне от -20 до +60°С, но характеристики значительно снижаются. Рекомендуемый диапазон работы литий-ионной АКБ составляет от +15 до +25°С без снижения характеристик. Опытным путём было установлено, что при -30°С многофункциональный Iot-контроллер с литий-железо-фосфатной АКБ 14 способен поддерживать работу в аварийном состояние не менее 60 минут, в то время как тот же самый многофункциональный Iot-контроллер с литий-ионной АКБ менее 30 минут. Кроме того, литий-ионные АКБ при отрицательных температурах воздуха мало способны к приему заряда. Литий-железо-фосфатная АКБ 14 без ущерба для ресурса переносит пиковый тока нагрузки и заряда, менее склонны к естественной деградации, имеют минимальный саморазряд и более 2000 циклов заряд-разряд до потери емкости на 20%. Поэтому в плане надежности, безотказности и долговечности литий-железо-фосфатные АКБ выигрывают у остальных литий-ионных АКБ. Таким образом, встраивание в многофункциональный Iot-контроллер именно литий-железо-фосфатной АКБ 14 позволяет значительно повысить надёжность и безотказность всего устройства в целом. Контроллер заряда 15 служит для управления процессом заряда литий-железо-фосфатной АКБ 14 и не допускает критических отклонений рабочих параметров и преждевременного выхода из строя АКБ.
Стабилизатор питания 16 позволяет изменять постоянное напряжение. Стабилизатор питания 16 применяется по типу DC/DC. Импульсный блок питания 17 служит для преобразования входного напряжения от разъема питания 13 до величины, необходимой составным частям многофункционального Iot-контроллера.
Реле управления внешними объектами 18 предназначено для приёма и передачи команд, поступающий от микропроцессора 1, по управлению объектами, подключенными к выходам управления внешними объектами 11. Защитное реле 19 служит для недопущения выхода из строя многофункционального Iot-контроллера по причине ненормальных режимов работы объектов, подключенных к выходам управления внешними объектами 11. К ненормальным режимам работы объектов можно отнести короткое замыкание, скачки напряжения. Выходы управления внешними объектами 11 служат для подключения к ним различных внешних электропотребителей - объектов, их предполагается не менее четырех.
Корпус 22 имеет степень защиты оболочки IP65. Корпус 22 полностью защищает внутренние части контроллера от пыли. Также корпус 22 защищает внутренние части контроллера от негативных условий окружающей среды, в том числе, от попадания на них струй воды, падающих под любым углом. Это позволяет эксплуатировать контроллер как внутри помещений, так и снаружи в условиях низких температур. Корпус 22 защищает внутренние части контроллера от возможных перепадов температурного режима. Исполнение корпуса 22 со степенью защиты оболочки IP65 непременно влияет на надёжность и безотказность работы. Пыле- и брызгозащищенность контроллера исключает попадание влаги на электрические соединения контроллера, исключает ухудшение контакта между элементами.
Работа устройства осуществляется следующим образом
Первично производится настройка и подключение
многофункционального Iot-контроллера. В держатель SIM 6 устанавливает SIM-карта любого доступного оператора сотовой связи. К дискретным входам 10 производится подключение датчиков, за которым в дальнейшем будет осуществляться удаленный мониторинг. К выходам управления внешними объектами 11 подключается объекты, которыми в последующем можно управлять как по команде из диспетчерского пункта, так и настроив включение/выключение по заданному расписанию. К клеммам 8 интерфейса RS-485 7 подключаются устройства с интерфейсом RS-485, например, такие как счетчики электроэнергии. В разъем питания 13 подключается сеть 220В. Осуществляется запуск Iot-контроллера, сопровождающийся: свечением
светодиодов на светодиодной индикации 9, установлением связи между модемом 4 и диспетчерским пунктом, установлением сигнала GNSS - антенны 12 и диспетчерским пунктом. На диспетчерском пункте расположен компьютер, подключенный к сети Интернет. После того, как связь контроллера по модему 4 с диспетчерским пунктом установлена, на диспетчерском пункте проверяется отображение местоположения контроллера по системам GPS/ГЛОНАСС. Контроллер готов к работе.
Примером работы контроллера может служить установка его в производственном помещении для управления технологическим оборудованием и световым оборудованием. К одному контроллеру может быть подключено до четырёх единиц технологического оборудования. К дискретным входам 10 подключается до двенадцати дискретных датчиков, определяющих состояние по типу включен/выключен. Оператор диспетчерского пункта с помощью Интернет связи по модему 4 передаёт команду на контроллер. Через модем 4 команда поступает в контроллер и осуществляется включение/выключение электропотребителей, подключенных к выходам управления внешними объектами 11. Возможна полная автономная работа контроллера без вмешательства оператора диспетчерского пункта по программе, записанной в микропроцессор 1. Зачастую к одному контроллеру из-за особенностей технологических линий не получается подключить все необходимые внешние объекты. В таком случае в одном помещении производится монтаж нескольких контроллеров с разным местоположением. Именно в случае использования нескольких IoT-контроллеров выражена необходимость определения их точного местоположения с помощью GNSS-антенны 12. Заявленный многофункциональный IoT-контроллер позволяет в виде интерактивной карты отображать на диспетчерском пункте текущее состояние каждого из IoT-контроллеров и их местоположение для оперативного реагирования диспетчера на нештатные аварийные режимы. В случае отключения питания от разъема 13 IoT-контроллер переходит в аварийное состояние работы. Питание в данном случае осуществляется от литий-железо-фосфатной АКБ 14. При этом управление выходами управления внешними объектами 11 является недоступным. В данной ситуации критически важно иметь на диспетчерском пункте информацию о том, где и какой IoT-контроллер не имеет полной работоспособности, чтобы управлять объектами, подключенными к выходам управления внешними объектами 11. Рассматриваемый IoT-контроллер может продолжать передавать информацию о своем местоположении в условиях низких климатических температур и негативных условий окружающей среды до прибытия ремонтной группы. По прибытии ремонтной группы контроллер приводится в исправное состоянии и переходит в штатный режим работы.