УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПЕРСОНАЛА НА ПРОИЗВОДСТВЕ

[001] Полезная модель относится к малогабаритным, индивидуальным, портативным устройствам, предназначенным для определения местоположения человека (сотрудника предприятия) внутри и вне помещений с возможностью регистрации событий «падения, удара по голове» и контроля наличия средства индивидуальной безопасности (каска) на голове человека.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] В настоящее время на рынке существует достаточное количество производителей, предлагающих устройства для мониторинга персонала внутри и снаружи помещений. Для понимания и анализа потребительских характеристик разрабатываемого изделия, был проведен сравнительный анализ аналогов. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Краткие характеристики изделий - аналогов
Наименование изделия/ параметр сравнения
Умная каска Softline
Умная каска Гранч
Умная каска Laing O'Rourke
Умная каска Крок
Умная каска Guardhat
Умная каска Умка
Геопозиционирование
да
да
да
да
да
нет
Зона покрытия
8 км
70 м
Зона действия сотовой связи
50 м
Радиус 50 м от анкера
5 км от базовой станции
Информация об ударах
да
да
да
да
да
да
Каска на голове
да
нет
нет
да
нет
да
Вызов оператора
да
да
да
да
да
нет
Технология передачи данных
LoRaWAN
Wi-Fi
IoT
UWB
UWB, Zigbee, Wi-Fi, LTE, NFC, BLE, Bluetooth
LoRaWAN
Передача голосовых данных
нет
нет
да
нет
да
нет
Передача видео данных
нет
нет
нет
нет
да
нет
Наличие Сертификатов
нет
да
да
нет
да
нет
[003] На основании проведенного анализа можно сказать, что качественным отличием описываемого в данном описании изделия от предлагаемых на рынке решений является способ организации передачи данных посредством двух каналов связи и GSM канала и по каналу LoRaWan. Предлагаемый подход обеспечивает решению универсальность для удовлетворения потребностей любых клиентов, пользующихся умными касками. GSM — это мобильность и возможность использовать устройство сразу после приобретения и без дополнительного оборудования (принцип “Plug and play”). LoRaWan — это стабильность соединения при подготовленной инфраструктуре в виде базовых станций и больше подходит для стационарных объектов.
[004] В экономическом смысле решение является самым доступным по соотношению цены и набору предлагаемого функционала по сравнению с конкурентами.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[005] Технической задачей, решаемой в данном техническом решении, является осуществление устройства для мониторинга персонала внутри и снаружи помещений.
[006] Техническим результатом, достигаемым при решении технической задачи, является повышение точности осуществления контроля за персоналом на производстве.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[007] В настоящем описании представлен процесс анализа, обоснования и выбора технических решений, реализация программно-алгоритмического наполнения и изготовления опытного образца индивидуального устройства-трекера для сбора информации о состоянии контролируемого объекта.
[008] Изделие регистрирует следующие состояния объекта и параметры:
а) факт наличия каски на голове;
б) местоположение внутри помещения;
в) местоположение вне помещения;
г) события удара, падения;
д) события движения;
е) регистрация данных о принятых сигналах маяков Bluetooth;
ж) подключение дополнительных Bluetooth датчиков, получение и отображение данных от них.
[009] На основании требований функционирования и выполняемых задач устройство можно разделить на несколько основных функциональных аппаратных частей:
электропитание, зарядка и контроль батареи;
датчики;
управляющий контроллер;
хранение данных;
передача данных по GSM;
передача данных по LoRaWAN.
[0010] Основными функциями данной системы устройства являются:
а) устойчивое стабилизированное электропитание всех активных элементов и блоков в составе устройства;
б) обеспечение контролируемого заряда литий-полимерного (Li-Po) аккумулятора в составе устройства;
в) контроль степени и однородности заряда аккумулятора.
[0011] Наибольшее затруднение при проектировании мобильных и портативных устройств вызывает обеспечение автономности изделия и как следствие снижение энергопотребления составляющими изделие блоками. Для повышения энергоэффективности в качестве основного питающего напряжения было выбрано напряжение 3В.
[0012] Основным источником питающего напряжения был выбран Li-Po аккумулятор BR603449D емкостью 1100 мА·ч и выходным напряжением 3,7 В. К особенностям данного источника питания можно отнести его морозоустойчивость (способность отдавать заряд при температурах -40°С), малый размер и вес, возможность выдавать высокие токи.
[0013] За обеспечение стабильности питающего напряжения в устройстве отвечает линейный стабилизатор напряжения на базе микросхемы TLV5530. Потребляемый современными модулями передачи данных по GSM каналу ток может достигать в пике значений 2А, а минимальное рабочее напряжение питания модуля составляет +3.4В. С целью снижения влияния модуля передачи данных по цепям питания на работу остальных частей устройства, был установлен отдельный импульсный преобразователь на базе TPS63020, работающий в режиме Buck-Boost. Управляющий контроллер устройства может в любой момент времени включить/выключить модуль передачи данных по GSM-каналу при необходимости, для этого используется вход ENABLE импульсного преобразователя. Импульсный преобразователь TPS63020 работает на фиксированной частоте 2.4 МГц и автоматически переключается между режимами Buck-Boost. Применение в преобразователе высокой частоты позволило использовать накопительные катушки индуктивности небольшой индуктивности.
[0014] В качестве контроллера аккумулятора используется датчик уровня заряда батареи BQ27421 от компании Texas Instrument. Данное решение позволяет с минимальными усилиями получать в цифровом формате данные по напряжению, степени заряда и емкость подключенной батареи. Связь с управляющим контроллером осуществляется по шине I2C.
[0015] Значительное количество портативных устройств во время эксплуатации выходят из строя из-за поломок, связанных с разъёмами подключения зарядки. Особенно много таких поломок у устройств, использующих разъемы miniUSB и microUSB. Учитывая основные условия и места эксплуатации изделия, было принято решение отказаться от разъема. Для обеспечения стабильного заряда в устройстве используется беспроводная зарядка «по воздуху» на базе микросхемы BQ51050 от компании Texas Instrument. Микросхема BQ51050 поддерживает протокол обмена с зарядной станцией Qi v1.2 и ток зарядки до 1.5А.
[0016] Основными функциями датчиков в разрабатываемом изделии является регистрация изменения состояния изделия.
[0017] Для контроля таких ситуаций как падение, удар применяется связка из MEMS акселерометр-гироскоп на базе микросхемы LSM6DS3 и барометрического датчика давления – микросхемы LPS27HHW.
[0018] Для исключения травм, полученных в результате пренебрежения техникой безопасности на производстве, применяется ИК-дальномер на базе микросхемы VCNL4200 от компании VISHAY, который позволяет однозначно определять - надето ли средство индивидуальной защиты «Каска» или нет.
[0019] Для выбора оптимального устройства в качестве управляющего контроллера проводился анализ рынка существующих микроконтроллеров. Перечень основных параметров, по которым производился анализ и сравнение различных микроконтроллеров следующий:
а) энергоэффективность;
б) производительность;
в) объем встроенной флеш-памяти для хранения программы;
г) объем оперативной памяти для хранения рабочих данных;
д) поддержка протоколов SPI, I2C, UART, USB;
е) стоимость.
[0020]  В результате анализа и сравнения нескольких вариантов было принято решения в качестве управляющего контроллера использовать микросхему STM32F412 производства STMicroelectronics. Предлагаемый микроконтроллер обладает следующими техническими характеристиками:
а) 1МБ флеш-памяти;
б) 256КБ оперативной памяти;
в) встроенные часы реального времени;
г) гибкое управление режимами энергосбережения;
д) поддерживаемые интерфейсы:
1. USART – 4х;
2. SPI – 5х;
3. I²C – 4х;
4. CAN (2.0B) –2х;
5. SDIO (48МГц);
6. USB 2.0;
7. I²S;
е) хорошее соотношение цена/производительность.
[0021] Программирование УК производится по отладочному интерфейсу SW или бутлоадером.
[0022] Для обеспечения надежности работы УК дополнительно используется внешний супервизор напряжения питания - SR1PBBU.
[0023] Для формирования тактовых частот контроллера используется кварцевый резонатор на 8МГц - DSX321G, обладающий следующими характеристиками:
а) размеры корпуса 3,2×2,5×0,85 мм;
б) диапазон рабочих температур -40°С – +85°С;
-6
в) долговременная нестабильность частоты резонатора – 20·10 Гц при 25°С;
-6
г) температурный дрейф частоты в рабочем диапазоне температур – не более 30·10 Гц.
[0024] Тактовые частоты, формируемые кварцевым резонатором NX3215SA с частотой 32кГц, используются в часах реального времени и сторожевом таймере. Резонатор NX3215SA обладает следующими техническими характеристиками:
а) размеры корпуса 3,2×1,5×0,85 мм;
б) диапазон рабочих температур -40°С – +85°С;
-6
в) долговременная нестабильность частоты резонатора – 20·10 Гц при 25°С;
-6
г) температурный коэффициент ухода частоты не более -0,04·10 Гц/°С.
[0025] Для индикации состояния управляющего микроконтроллера используется многоцветный RGB индикатор CLV1A-FKB-CK1N1G1BB7R4S3.
[0026] В качестве энергонезависимой памяти для хранения записанной информации была применена микросхема MX25L12835F – представляющая энергонезависимую Flash-память, с напряжением питания 3В и емкостью 128 М Данная микросхема поддерживает протокол QuadSPI, который позволяет передавать за один такт 4 бита информации. Что существенно повышает скорость записи в память. Данная микросхема не имеет встроенного контроллера и имеет ограниченный ресурс ячеек на запись, поэтому контроль целостности записанной информации, обнаружение ошибок и исключение не рабочих блоков памяти должен взять на себя УК.
[0027] На основе анализа существующих на рынке предложений для обеспечения передачи данных по каналам GSM и BLE, а также обеспечения определения местоположения по сигналам ГНСС GPS и ГЛОНАСС была выбрана микросхема SIM868E от SimCOM. Предлагаемый модуль обладает следующими характеристиками:
[0028] Основные характеристики
а) работа в сетях: 850/900/1800/1900 МГц;
б) класс GPRS B multi-slot 12/10;
в) соответствие GSM phase 2/2+
1 – Класс 4 (2 Вт @ 850/900 МГц)
2 – Класс 1 (1 Вт @ 1800/1900 МГц);
г) размеры: 15.7 × 17.6 × 2.3 мм;
д) управление AT командами (3GPP TS 27.007,27.005 и проприетарные АТ команды);
е) диапазон питающего напряжения: 3.4 ... 4.4 В;
ж) низкое энергопотребление;
з) рабочий диапазон температур: -40°С ... 85°С.
[0029] Приемник сигналов ГНСС в составе модуля обладает следующими характеристиками:
а) количество каналов:
1. Сопровождения: 33
2. Захвата: 99;
б) частота обновления координат: до 5 Гц;
в) чувствительность слежению: -166 дБм;
г) холодный старт: -148 дБм;
д) время первого определения координат (TTFF)
1. Холодный старт: 29 с
2. Теплый старт: 22 с,
3. Горячий старт: <1 с;
е) Погрешность
1. Координаты: 2.5 м CEP
2. Скорость: 0.1 м/с.
[0030] Предлагаемый модуль имеет отдельные подключения по последовательному порту для 2G и ГНСС к управляющему контроллеру, что позволяет добиться сохранения информации о времени и альманаха системы ГНСС. Вход резервного питания подключен к питающему напряжению +3.0В, таким образом, в случае пропадания питающего напряжения модуль передачи данных по GSM, эта информация сохранится будет использоваться при следующем включении. Захват спутников и определение координат произойдет значительно быстрее, чем при холодном старте.
[0031] Для передачи данных по LoRaWAN используется трансивер SX1276 от компании Semtech. Используется рекомендованная производителем принципиальная схема обвязки трансивера и радиочастотного тракта. После сборки платы и снятия характеристик радиотракта на векторном анализаторе цепей (ВАЦ), произведена подстройка характеристик для получения максимизации дальности передачи/приема.
[0032] Для подключения к управляющему контроллеру используется протокол SPI, несколько дополнительных сигналов используются для сброса трансивера, для информирования управляющего контроллера о текущем состоянии трансивера.
[0033] Трансивер не имеет в своем составе контроллера, поэтому реализация протокола LoRaWAN выполнена на УК.
[0034] Одним из дополнений к обязательному по требованиям технического задания функционалу разрабатываемого изделия относится программно-аппаратный модуль «обратной связи». Данный модуль позволяет информировать пользователя индивидуального средства защиты о различных событиях как внутренних, так и внешних посредством звукового оповещения.
[0035] Для реализации аппаратной части модуля звукового оповещения был выбран пьезокерамическая диафрагма CBC2065BAL, с резонансной частотой 6,5 кГц, что позволяет однозначно определить на слух факт события. Данный пьезокерамический преобразователь широко доступен на рынке, имеет низкую стоимость, достаточный уровень громкости и компактные габариты диаметр диафрагмы 20мм, толщина 0,5 мм.
[0036] Благодаря низкому току возбуждения данный преобразователь позволяет осуществить его запитку, непосредственно, от микроконтроллера, что позволяет повысить эффективность энергопотребления изделия путем исключения усилительного каскада для запитки пъезопреобразователя.
[0037] К габаритам изделия и печатной платы в ТЗ на устройство-трекер были заданы жесткие требования, так линейные размеры печатной платы не должны превышать 80×80×15 мм. При подготовке к проектированию и производству печатной платы был выполнен анализ для оценки минимального количества слоев печатной платы, обеспечивающих работоспособность изделия в соответствии с требованиями технического задания. На основе проведенного анализа, было выявлено, что четырехслойной печатной платы будет достаточно ля выполнения поставленной задачи.
[0038] Разработка печатной платы производилась в САПР Altium Designer. Применение данного САПР позволило в ходе разработки и проектирования платы свести к минимуму ошибки и недочеты проектирования.
[0039] В результате проектирования была разработана печатная плата со следующими характеристиками:
а) количество слоев – 4;
б) минимальная ширина дорожки – 0,2 мм;
в) минимальный зазор – 0,1 мм;
г) диаметр переходного отверстия – 0,25 мм;
д) кольцо переходного отверстия – 0,15 мм.
[0040]  На верхнем слое печатной платы расположены УК, NOR хранилище данных, модуль передачи данных SIM868E, трансивер LoRaWAN с обвязкой и сенсоры.
[0041] На оборотной стороне платы расположены антенны четырех протоколов и интерфейсов: GSM, ГНСС, Bluetooth, LoRaWAN. Так же там расположен импульсный преобразователь, питающий GSM модуль и линейный преобразователь, питающий остальную часть схемы. Разъем для карты Nano-SIM и кнопка сброса управляющего контроллера.
[0042] Промышленная применимость устройства доказывается тем, что изготовление печатной платы монтаж электронных компонентов на плату производились сторонней организацией ООО «Резонит». В результате было изготовлено 5 печатных плат, три из которых использовались для отладочных и отработочных испытаний отдельных элементов изделия. Остальные две платы были использованы для производства двух опытных образцов изделия для проведения испытаний в реальных условиях применения.
[0043] Изготовление опытных образцов устройства-трекера производилось на том же предприятии, что и изготовление печатных плат. Монтаж и пайка электронных компонентов производилась ручным способом, т.к. изготавливаемый объем изделий не целесообразно изготавливать роботизированным методом.
[0044] Изготовление печатной платы и опытных образцов на одном предприятии позволило избежать временных задержек, связанных с логистикой, а также провести электрический тест изготовленных плат и изделий.
[0045] При нахождении устройства внутри помещения сигнал со спутников может либо полностью отсутствовать, что означает невозможность вычислить географические координаты, либо координаты, определенные модулем ГНСС, на основании сигналов ГНСС имеют низкую точность и значительный разброс, ввиду недостаточной видимости спутников.
[0046] Согласно данному решению, разрабатываемый научно-технический продукт должен реализовывать функцию получения географической позиции как внутри помещения, так и снаружи. В связи с этим разработан механизм расчета координат, не зависящий от наличия и уровня сигналов ГНСС.
[0047] При выборе способа определения координат устройства внутри помещений могут быть использованы следующие группы методов:
а) визуальные;
б) счисление координат;
в) радиочастотные.
[0048] В основе визуальных методов лежит анализ видеопотока. По расположению устройств видеофиксации можно разделить на
а) стационарные;
б) носимые.
[0049] В случае стационарного расположения устройства видеофиксации задача анализа видеопотока сводится к идентификации объекта наблюдения и переходу из системы координат кадра в географическую систему. Согласно данному описанию разрабатываемое устройство интегрируется в каску, поэтому для обеспечения возможности идентификации объекта достаточно нанести на каску цифровой или QR-код.
[0050] Преимущества
отсутствие энергозатрат на носимом устройстве;
высокая точность определения координат в случае успешной идентификации.
[0051] Недостатки:
сложность внедрения/построения инфраструктуры;
большие вычислительные мощности.
[0052] Носимые устройства описываются ниже.
[0053] При реализации видеофиксации на носимом устройстве вычисление географических координат производится при обнаружении в кадре определенного “маркера”. В качестве маркеров могут служить стационарные объекты либо специальные графические\QR-коды, наносимые в помещении, где необходимо осуществлять позиционирование.
[0054] Преимущества
простота внедрения относительно стационарного метода.
[0055] Недостатки
большая вычислительная нагрузка на носимом устройстве;
использование маркеров не всегда возможно.
[0056] Зная исходную географическую координату и положение устройства в пространстве и имея данные с акселерометра, гироскопа и магнетометра, можно рассчитать перемещение устройства путем интегрирования по времени.
[0057] Преимущества
нет необходимости в инфраструктуре.
[0058] Недостатки
накопление ошибки с течением времени;
требуется знание исходной координаты.
[0059] Общей чертой данных методов является наличие радиосигнала, по свойствам которого рассчитывается положение устройства в пространстве.
[0060] По схеме взаимодействия приемник-передатчик методы можно разделить на следующие группы:
а) стационарные приемники, носимый передатчик;
б) стационарные передатчики, носимый приемник;
в) комбинированные.
[0061] По используемому способу вычисления позиции можно разделить на следующие:
а) Time of Arrival (ToA)- расстояние от передатчика до приемника определяется по времени передачи сигнала. Требуется синхронизация узлов по времени;
б) Angle of Arrival (AoA) - расчет угла поступления сигнала от передающих устройств. Требуется специализированный аппаратный модуль - массив антенн;
в) Cell Identification (Cell_ID) - за позицию устройства принимается позиция стационарного передатчика с самым сильным сигналом
г) Time Difference of Arrival(TDoA) - аналогичен ToA, но не требует синхронизации времени;
д) Radio Fingerprinting(RF) - создание карт уровней сигнала от передатчиков. Для определения координаты осуществляется поиск участка, максимально соответствующего текущим входным данным с передатчиков;
е) RSSI - расстояние от приемника до передатчика рассчитывается исходя из мощности сигнала, полученного приемником.
[0062] По типу используемой технологии приемо-передачи радиосигнала на:
а) GSM,
б) Wi-Fi,
в) RFID,
г) UWB,
д) Bluetooth.
[0063] Метод определения позиции устройства по информации от вышек сотовой связи. Без специфического оборудования возможно применять методы расчета позиции: RSSI, Cell_ID, RF.
[0064] Преимущества:
используется готовая инфраструктура;
нет необходимости установки дополнительного модуля в носимом устройстве.
Недостатки:
низкая точность в помещениях и при малом количестве вышек связи;
невозможность расширения покрытия.
[0065] Для определения положения используются данные от точек доступа беспроводных сетей Wi-Fi. Возможно применение методов RSSI, Cell_ID, RF.
[0066] Преимущества:
возможность использования готовой инфраструктуры;
возможность расширения покрытия.
Недостатки:
энергозависимость точек доступа;
высокое потребление модуля на носимом устройстве.
[0067] RFID система состоит из двух компонентов: сканера и метки. Типы меток: пассивная, активная, полупассивная. В случае с пассивной меткой сканер должен передать сигнал такой силы, чтобы энергии, полученной меткой, хватило на ответ сканеру. Подобная конфигурация как правило ограничена радиусом действия 5-10см, в противном случае требуется использование мощных сканеров либо переход к активным/полупассивным меткам.
[0068] Для целей позиционирования технология RFID может быть применена как в исполнении со стационарным сканером, так и с носимым.
[0069] RFID со стационарными сканерами
[0070] Преимущества:
низкое(либо отсутствие, в случае с пассивной меткой) энергопотребление модуля RFID на носимом устройстве.
Недостатки:
сложность подготовки инфраструктуры (установка крупногабаритных сканеров);
низкая точность (детектируется факт нахождения метки в области действия сканера).
[0071] RFID c носимым сканером.
[0072] Преимущества:
простота подготовки инфраструктуры.
[0073] Недостатки:
большие габариты антенны;
необходимость использовать активные метки.
[0074] Относительно новая для гражданского применения технология. За счет физических особенностей протокола сигнал обладает хорошей проницаемостью через препятствия, устойчив к переотражениям. Механизмы ToA и TDoA поддерживаются на уровне чипа, что обеспечивает субметровую точность позиционирования. Носимое устройство(метка) излучает периодический сигнал, получаемый несколькими приемниками (анкерами). На основании ToA рассчитываются расстояния до устройства, методом трилатерации вычисляется координата.
[0075] Преимущества
сверхвысокая точность < 30 см;
низкое потребление носимого передатчика.
Недостатки:
сложная инфраструктура. Анкера энергозависимы, должны быть объединены в сеть и синхронизированы по времени;
недоступность оборудования.
[0076] Наиболее распространенная технология для позиционирования внутри помещений Bluetooth. Возможно применение методов RSSI, Cell_ID, RF. С появлением стандарта Bluetooth 5.1 стало возможно применение метода AoA, но в виду отсутствия необходимого оборудования на момент начала исследования данный метод не рассматривался. Построение инфраструктуры для позиционирования заключается в расстановке ble-маяков, работающих от батареи и излучающих периодический сигнал.
[0077] Преимущества
доступность оборудования;
простой механизм подготовки инфраструктуры;
достижимая точность на уровне 3-5 м.
[0078] Для носимого устройства один из критичных факторов выбора - энергоэффективность, по этому критерию отсеялись методы определения местоположения RFID c носимым сканером, Wi-Fi и визуальный носимый.
[0079] По возможности расширения зоны действия не подходит метод на основе сигналов GSM.
[0080] Счисление координат - как самостоятельный метод не удовлетворяет требованиям по точности из-за накапливающейся со временем ошибки. Его можно рассмотреть, как дополнительный механизм улучшения точности на небольших временных интервалах в случае расширения общего функционала изделия.
[0081] В рамках исследования было решено отказаться от методов, требующих сложной инфраструктуры: RFID со стационарным сканером, Визуальный стационарный.
[0082] UWB - наиболее точный из рассмотренных, но также требующий организации инфраструктуры для работы. Помимо этого, не было найдено оборудования, готового для интеграции с разрабатываемым устройством. Ввиду этого пришлось отказаться от данного варианта. Тем не менее UWB - весьма перспективная технология, требующая дальнейших исследований.
[0083] Методом исключения технологий определения местоположения внутри помещения была выбрана технология Bluetooth.
[0084] Алгоритм реализует функционал сканирования bluetooth-устройств, поиск среди них маяков iBeacon, фильтрацию iBeacon-пакетов по определенным признакам:
а) proximity UUID,
б) major number,
в) minor number,
г) RSSI.
[0085] Полученные при сканировании данные о маяках сохраняются в flash-память и затем передаются на сервер для последующей обработки.
[0086] Данные накапливаются и отправляются с задаваемой периодичностью. По умолчанию этот параметр составляет 10 с.
[0087] В целях экономии пространства flash-памяти записываемые результаты сканирования были ограничены фильтром, отбирающим только четыре устройства с максимальными значениями RSSI. Данное количество позволяет реализовать любой из механизмов определения координат, доступный для технологии bluetooth: RSSI, Cell_ID, RF.
[0088] Окончательное определение местоположения изделия осуществляется при обработке на сервере. Каждый маяк привязан к определенной географической точке. На текущем этапе используется механизм Cell_ID - из списка переданных на сервер маяков выбирается элемент с наибольшим RSSI, по mac-адресу устанавливается соответствие маяка и географической координаты.
[0089] После выбора основного алгоритма и технологии определения местоположения внутри помещения необходимо было определить минимальное время работы разработанного устройства для этого были проведены замеры продолжительности работы при постоянно включенных для сканирования и передачи данных модулях: Bluetooth, ГНСС, GSM. Результаты замеров приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты замера продолжительности работы изделия при постоянно включенных модулях Bluetooth, ГНСС, GSM.
Номер испытания
18:00
20:00
22:00
24:00
Время разряда
Время работы
1
100%
76%
50%
24%
00:45
06:45
2
100%
75%
48%
20%
00:44
06:44
3
100%
77%
53%
29%
01:31
07:31
4
100%
77%
49%
23%
01:27
07:27
5
100%
76%
49%
22%
00:33
06:33
6
100%
75%
48%
21%
00:39
06:39
7
100%
77%
44%
15%
00:34
06:34
8
100%
72%
49%
22%
00:44
06:44
9
100%
76%
51%
25%
01:04
07:04
[0090] Анализируя данные, приведенные в таблице 2 можно сделать вывод, что среднее значение продолжительности работы изделия при постоянно включенных модулях составляет 7 ч. Это значение можно определить как минимальное время работоспособности устройства-трекера.
[0091] Для увеличения продолжительности работы в настройки работы изделия были добавлены настроечные параметры:
а) Scan Period – параметр, устанавливающий продолжительность сканирования;
б) Scan Interval – параметр устанавливающий время между сканированиями (во время этого интервала модуль bluetooth отключается).
[0092] После ведения настроечных параметров был проведен повторный замер продолжительности работы устройства-трекера. Замеры производился при следующих значениях параметров Scan Period = 2 c, Scan Interval = 30 c. Результаты измерений приведены в таблице 3.
[0093] Таблица 3 – Измерения продолжительности работы при значениях параметров Scan Period = 2c, Scan Interval = 30c.
<b>Номер испытания</b>
<b>00:00</b>
<b>Время разряда</b>
<b>Длительность работы, минут</b>
1
100%
09:32
572
2
100%
09:48
588
3
100%
09:20
560
4
100%
09:05
565
5
100%
09:42
582
6
100%
09:14
554
7
100%
09:43
583
[0094] Анализируя данные таблицы 3, можно сделать вывод о том, что применение «политики» ограничения времени работы bluetooth модуля в составе изделия позволяет увеличить время автономной работы изделия в среднем в полтора раза (от 7 до примерно 10 часов непрерывной работы).
[0095] Для реализации программного модуля переключения алгоритмов позиционирования внутри/снаружи помещений был проведен анализ вариантов решения задачи.
[0096] При позиционировании вне помещений в качестве источника данных используется аппаратный модуль ГНСС, внутри помещений используется механизм позиционирования, основанный на данных ble-маяков, полученных при сканировании. Предполагается, что в помещениях, в которых необходимо осуществлять позиционирование, маяки уже установлены и зарегистрированы на сервере.
[0097] Исходя из предположения о том, что оба источника данных работают независимо и поставляют информацию о местонахождении одновременно, то задача переключения алгоритмов позиционирования сводится к задаче выбора источника данных.
[0098] Возможные варианты решения:
а) Выбор источника с наибольшей точностью;
б) Выбор источника исходя из текущего географического положения/из наличия поблизости ble-маяков;
в) Ручной выбо.
[0099] Если же необходима реализация попеременной работы модулей позиционирования, помимо задачи выбора источника данных необходимо решить задачу управления аппаратными модулями, выработки правил включения/выключения и подбора оптимальных параметров. Необходимо отметить, что в случае необходимости отключения ГНСС-модуля время на поиск при повторном включении может быть увеличено, ввиду устаревания сохраненных в памяти данных эфемерид систем ГНСС (холодный старт).
[00100] Исходя из того, что при попеременной работе модулей качество определения координат устройства не может быть лучше качества при одновременной работе, при этом сложность реализации возрастает было принято решение использовать схему с независимой одновременной работой модулей позиционирования.
[00101] Касаемо вопроса выбора источника данных: тема определения точности координаты по данным ГНСС/ bluetooth нуждается в проработке и заслуживает отдельного исследования, ручной выбор источника не подходит в условиях периодического нахождения устройства внутри/вне помещений, поэтому в качестве решающего фактора для выбора источника данных был выбран факт присутствия вблизи устройства ble-маяков.
[00102] Для решения задачи переключения алгоритмов позиционирования внутри/снаружи помещений был разработан алгоритм, который осуществляет анализ результатов сканирования ble-устройств и обработку данных аппаратного ГНСС-модуля. Для «отсева» данных местоположения по сигналам ГНСС применен программируемый параметр – ble_timeout.  При наличии в результате очередного сканирования ble-маяков данные ГНСС-модуля игнорируются в течение ble_timeout секунд. В модуле позиционирования внутри помещений был добавлен дополнительный пороговый параметр фильтрации threshold для отсеивания маяков с уровнем сигнала ниже заданного.
[00103] В рамках настоящей реализации был проведен анализ работы аппаратного ГНСС-модуля (интегрированного в модуль Simcom 868) в трех режимах:
а) Glonass+GPS,
б) только GPS,
в) AlwaysLocate – «интеллектуальный» режим работы модуля, зависящий от условий окружающей среды и параметров движения объекта, в этом режиме внутренне ПО модуля пытается достичь баланса между точностью позиционирования и временем работы модуля.
[00104] В результате исследования и анализа наилучшее качество точности определения местоположения было достигнуто в режиме Glonass+GPS с постоянным обновлением координат. В режиме AlwaysLocate –выявилось наличие множества пропущенных точек на маршруте.
[00105] Полученные результаты можно объяснить следующим в режиме постоянной работы по сигналам 2-х ГНСС (Glonass+GPS) приемник имеет постоянную доступность сигналов НКА и имеет возможность выбора сигналов от НКА ГНСС с наилучшим геометрическим фактором, следовательно, обеспечить лучшую точность определения координат.
[00106] Режим AlwaysLocate – подходит в основном для медленно перемещающихся объектов, т.к. за время отключения и включения приемника не происходит значительного изменения координат и устаревания эфемерид ГНСС.
[00107] По способу предоставления доступа сети можно разделить на публичные и частные.
[00108] В случае публичного доступа любой пользователь имеет возможность подключиться к данной сети при заключении контракта/подписки с оператором сети, при этом поддержка всей необходимой инфраструктуры осуществляется оператором.
[00109] Частные (или приватные) сети предназначены для доступа ограниченного круга лиц/устройств. Использование частных сетей актуально для организаций с высокими требованиями к защите информации либо находящихся вне зоны действия публичных сетей. При этом развертывание и поддержка инфраструктуры находится в зоне ответственности организации-пользователя сети.
[00110] В случае необходимости работы IoT-платформы в частных сетях необходимо учитывать факторы и ограничения, связанные с функционированием частных сетей:
[00111] Отсутствие доступа в глобальную сеть.
[00112] Частные сети могут быть изолированы от глобальной сети либо из соображений безопасности, либо по причине невозможности реализовать доступ. В связи с этим возникают следующие задачи:
а) Необходимость обеспечения работы серверной части в условиях отсутствия Интернет
б) Невозможность удаленного обновления устройств/платформы
в) Невозможность оперативного решения проблем
[00113] Частные сети дают широкие возможности для настройки, развертывание инфраструктуры и настройка сетей в каждом конкретном случае будет иметь индивидуальные особенности. Для внедрения IoT-платформы требуется настройка с учетом особенностей сети, при этом необходимо учитывать следующие основные особенности частных сетей:
а) Необходимость настройки сервисов для функционирования платформы/устройств: ntp, dns, СУБД и т.д.
б) Необходимость настройки устройств для работы в частной сети
в) Ограничения по трафику/рабочему циклу при работе устройств
[00114] Частные сети поддерживаются в рабочем состоянии силами организации-пользователя сети, либо подрядной организации. На объектах может отсутствовать высококвалифицированный персонал, а как следствие, в случае возникновения неисправностей в работе сети сроки их устранения могут быть значительно выше, чем в случае с публичными сетями.
[00115] Данные особенности необходимо учитывать при внедрении IoT-платформы в рамках частных сетей. Для минимизации издержек при внедрении/эксплуатации от компонентов системы требуется максимальный уровень отказоустойчивости и автоматизация процессов развертывания/обслуживания.
[00116] Расчет емкости сети основан на материалах, опубликованных на сайте ITech «Технологии связи».
[00117] Каждый пакет, передаваемый по сети LoRaWAN, включает в себя преамбулу и блок данных физического уровня. Количество символов в преамбуле является конфигурируемым в диапазоне 6..65535.
[00118] Количество символов в блоке данных физического уровня определяется следующей формулой:
,
где PL= 12 + FRM – количество байт полезных данных в блоке физического уровня (PHYPayload);
FRM – количество байт полезных данных на уровне приложения (FRMPayload);
SF – коэффициент расширения спектра;
CRC = 1, когда передача поля CRC блока полезной нагрузки включена и CRC=0 – когда выключена;
H=0, когда передача заголовка (PHDR + PHDR_CRC) включена и H=1 – когда заголовок отсутствует;
DE=1, когда оптимизация для низких скоростей передачи включена и DE=0 – когда выключена (для SF=11 и SF=12 оптимизация скоростей передачи должна быть включена);
CR=1..4 – скорость кода;
ceil – операция округления до ближайшего большего целого числа.
Длительность передачи преамбулы:
.
Длительность передачи блока данных физического уровня:
Длительность передачи всего пакета по сети LoRaWAN:
,
где  - длительность передачи одного символа – таблица 6.1;
W – Ширина полосы одного частотного радиоканала (125кГц)
SF
[00119] Таблица 4 –зависимость длительности передачи одного символа от коэффициента расширения спектра
SF
7
8
8
10
11
12
W, кГц
125
125
125
125
125
125
Tsym, мс
1,024
2,048
4,096
8,192
16,384
32,768
[00120] Результаты расчета времени, необходимого для передачи одного UL-пакета (с полезной нагрузкой 10 байт) между конечным устройством (End Node) и сервером приложений (Application Server) приведены в таблице 5.
Таблица 5 – Результаты расчета времени, необходимого для передачи одного UL-пакета (с полезной нагрузкой 10 байт)
Коэффициент расширения спектра
<i>SF</i>
7
8
9
10
11
12
Полоса радиоканала
<i>W, кГц</i>
125
125
125
125
125
125
Длительность передачи 1-го символа
<i>T</i><sub><i>sym</i></sub><i>, мс</i>
1,024
2,048
4,096
8,192
16,384
32,768
Кол-во символов в преамбуле (6-65535)
<i>n</i><sub><i>preamble</i></sub>
6
6
6
6
6
6
Полезные данные (FRMPayload)
<i>FRM, байт</i>
10
10
10
10
10
10
Физический блок данных (PHYPayload)
<i>PL, байт</i>
23
23
23
23
23
23
Флаг включения заголовка в пакет:     0 - включен,     1 - выключен
<i>H</i>
0
0
0
0
0
0
Флаг включения CRC в пакет:     1 - включен,     0 - выключен
<i>CRC</i>
1
1
1
1
1
1
Флаг включения оптимизации скоростей:     1 - включена,     0 - выключена
<i>DE</i>
0
0
0
0
0
0
Скорость кодирования:     1 - 4/5     2 - 4/6     3 - 4/7     4 - 4/8
<i>CR</i>
1
1
1
1
1
1
Кол-во символов в блоке данных
<i>payloadSymNb</i>
48
43
38
33
38
33
Длительность передачи преамбулы
<i>T</i><sub><i>preamble</i></sub><i>, мс</i>
10,50
20,99
41,98
83,97
167,94
335,87
Длительность передачи блока данных
<i>T</i><sub><i>payload</i></sub><i>, мс</i>
49,15
88,06
155,65
270,34
540,67
917,50
Длительность передачи всего пакета
<i>T</i><sub><i>packet</i></sub><i>, мс</i>
59,65
109,06
197,63
354,30
708,61
1 253,38
[00121] Результаты расчета времени, необходимого для передачи одного DL-пакета без поля FRMPayload приведены в таблице 6.
Таблица 6 – Расчет времени, необходимого для передачи одного DL-пакета без поля FRMPayload
Коэффициент расширения спектра
<i>SF</i>
7
8
9
10
11
12
Полоса радиоканала
<i>W, кГц</i>
125
125
125
125
125
125
Длительность передачи 1-го символа
<i>T</i><sub><i>sym</i></sub><i>, мс</i>
1,024
2,048
4,096
8,192
16,384
32,768
Кол-во символов в преамбуле (6-65535)
<i>npreamble</i>
6
6
6
6
6
6
Полезные данные (FRMPayload)
<i>FRM, байт</i>
0
0
0
0
0
0
Физический блок данных (PHYPayload)
<i>PL, байт</i>
12
12
12
12
12
12
Флаг включения заголовка в пакет:     0 - включен,     1 - выключен
<i>H</i>
1
1
1
1
1
1
Флаг включения CRC в пакет:     1 - включен,     0 - выключен
<i>CRC</i>
1
1
1
1
1
1
Флаг включения оптимизации скоростей:     1 - включена,     0 - выключена
<i>DE</i>
0
0
0
0
0
0
Скорость кодирования:     1 - 4/5     2 - 4/6     3 - 4/7     4 - 4/8
<i>CR</i>
1
1
1
1
1
1
Кол-во символов в блоке данных
<i>payloadSymNb</i>
<i>28</i>
<i>23</i>
<i>23</i>
<i>18</i>
<i>23</i>
<i>18</i>
Длительность передачи преамбулы
<i>T</i><sub><i>preamble</i></sub><i>, мс</i>
<i>10,50</i>
<i>20,99</i>
<i>41,98</i>
<i>83,97</i>
<i>167,94</i>
<i>335,87</i>
Длительность передачи блока данных
<i>T</i><sub><i>payload</i></sub><i>, мс</i>
<i>28,67</i>
<i>47,10</i>
<i>94,21</i>
<i>147,46</i>
<i>294,91</i>
<i>589,82</i>
Длительность передачи всего пакета
<i>T</i><sub><i>packet</i></sub><i>, мс</i>
<i>39,17</i>
<i>68,10</i>
<i>136,19</i>
<i>231,42</i>
<i>462,85</i>
<i>925,70</i>
[00122] LoRaWAN устройства класса "A" используют произвольный (не синхронизированный) доступ к общей среде передачи. При этом временные интервалы отправки пакетов планируются конечными устройствами на основе собственных потребностей. Данный механизм доступа представляет из себя протокол типа "чистая ALOHA" (pure ALOHA)
[00123] Оценка пропускной способности системы "чистая ALOHA" определяется при следующих предположениях:
пользовательские данные, предназначенные для передачи, поступают на терминалы случайно, образуя пуассоновский поток;
отброшенные из-за ошибок передачи пакеты передаются повторно, образуя также пассоновский поток;
все пакеты данных имеют одинаковую длину и передаются одинаковое время;
в сети находится бесконечное число удалённых терминалов.
[00124] В этом случае:
Вероятность того, что за время передачи одного пакета T поступит еще k пакетов от всех терминалов сети, определяется формулой Пуассона:
.
[00125] где G – интенсивность поступления пакетов (или среднее число сообщений для передачи, появившееся на всех терминалах сети за время T).
[00126] Коллизия не возникнет, если на интервале передачи сообщения, а также на одном предшествующем интервале не появятся еще пакеты для передачи от других конечных устройств сети (k=0). Следовательно, вероятность успешной передачи составляет
.
[00127] Среднее число успешно переданных за время T пакетов, т.е. пропускная способность сети, составляет
.
[00128] Максимальное значение пропускной способности достигается при интенсивности поступления пакетов (G) равной 0,5 и составляет 0,184 (при этом вероятность потери пакетов из-за коллизии – PLOSS составит 63%). При интенсивности поступления пакетов (G) равной 0,0256 вероятность потери пакетов из-за коллизии (p_LOSS) составляет 5%.
[00129] Рассмотрим сеть LoRa со следующими характеристиками:
f
а) кол-во радиочастотных каналов (N) – 8;
preamble
б) кол-во символов в преамбуле (n) – 6;
в) средний размер полезных данных, передаваемых в поле FRMPayload – 10 байт;
г) средняя частота передачи пакетов одним конечным устройством – 1 пакет в минуту;
д) передача заголовка включена (explicit mode – H=0), передача CRC включена (CRC=1), оптимизация скоростей выключена (DE=0);
е) скорость кодирования (CR) – 4/5;
ж) пакеты передаются от конечных устройств с последующим подтверждением доставки от сетевого сервера в первом временном окне;
loss
з) допустимая вероятность потери пакетов из-за коллизий (p) – 5%;
и) совмещение по времени в одном радиоканале двух пакетов от различных источников считается коллизией независимо от используемых коэффициентов расширения спектра (SF).
[00130] Если используется режим с подтверждением получения сетевым сервером каждого пакета от конечного устройства (с передачей этикетки подтверждения в первом временном окне приема), то в качестве времени передачи одного сообщения возьмем суммарное время передачи пакета данных конечным устройством и передачи этикетки подтверждения. Значения метрики исследуемой сети LoRa от коэффициента расширения спектра представлено в таблице 7.
Таблица 7 – Зависимость метрик исследуемой сети LoRa от коэффициента расширения спектра SF
Коэффициент расширения спектра
<i>SF</i>
7
8
9
10
11
12
Вероятность коллизии
<i>p</i>
5%
5%
5%
5%
5%
5%
Кол-во частотных каналов
<i>N</i><sub><i>f</i></sub>
8
8
8
8
8
8
Кол-во пакетов на устройство в сутки
<i>N</i><sub><i>ENpackets</i></sub>
1440
1440
1440
1440
1440
1440
Длительность передачи одного UL пакета
<i>T</i><sub><i>ULpacket</i></sub>, мс
59,65
109,06
197,63
354,30
708,61
1253,38
Длительность передачи одного DL пакета
<i>T</i><sub><i>DLpacket</i></sub>, мс
39,17
68,10
136,19
231,42
462,85
925,70
Нагрузка на 1 канал, Эрл (= доля задействования 1-го канала для передачи трафика)
<i>A</i>
0,0256
0,0256
0,0256
0,0256
0,0256
0,0256
Кол-во пакетов на LoRa GW в сутки, тыс. шт.
<i>N</i><sub><i>LGpackets</i></sub>
179,06
90,67
53
30,21
15,1
8,12
Кол-во устройств на LoRa GW, шт.
<i>N</i><sub><i>EN</i></sub>
124
62
36
20
10
5
loss
[00131] При требовании p = 5% накладывается жесткое ограничение на интенсивность передачи пакетов, что приводит к невозможности использования большого количества конечных устройств с высокой частотой передачи данных (1 раз в минуту).
loss
[00132] Снижать требование p не целесообразно при необходимости передачи пакета за минимальное число итераций. Возможные решения данной проблемы это:
а) Уменьшение частоты передачи данных
б) Применение протокола, минимизирующего количество коллизий
[00133] Уменьшение частоты передачи - решение очевидное, но не применимое в случаях, когда требуется передача данных с частотой не ниже заданной.
[00134] Для изучения вопроса применения усовершенствованных протоколов на основе LoRaWAN требуется дополнительное исследование реализованных протоколов.
[00135] Примерами таких протоколов могут служить:
а) Дискретная ALOHA
б) TDMA
в) Reservation ALOHA.
[00136] Зная длительность DL-пакета, можно рассчитать теоретический предел сети LoRaWAN c указанными выше ограничениями.
[00137] Предположим, что для DL-пакетов используется полоса радиочастот с ограничением 10% на рабочий цикл. Тогда общее количество пакетов для соответствующего коэффициента расширения вычисляется по формуле:
DLpacket.
(0.1 24 3600)/T
[00138] Результаты оценки метрики сети при заданных параметрах приведены в таблице 8.
Таблица 8 – Зависимость метрики сети от коэффициента расширения спектра при заданных ограничениях ГКРЧ
Коэффициент расширения спектра
SF
7
8
9
10
11
12
Кол-во пакетов на устройство в сутки
<i>N</i><sub><i>ENpackets</i></sub>
1440
1440
1440
1440
1440
1440
Длительность передачи одного DL пакета
<i>T</i><sub><i>DLpacket</i></sub>, мс
39,17
68,10
136,19
231,42
462,85
925,70
Кол-во DL пакетов на LoRa GW в сутки, тыс. шт
<i>N</i><sub><i>DL</i></sub>
221,5
126,8
63,44
37,33
18,66
9,33
Кол-во устройств на LoRa GW, шт.
<i>N</i><sub><i>EN</i></sub>
153
88
44
25
12
6
Таким образом, при схеме передачи с подтверждением теоретический максимум конечных устройств на базовую станцию незначительно отличается от значений, полученных для модели 1.
[00139] Единственный способ значительного увеличения количества устройств в условиях Российского законодательства без применения лицензируемых радиочастот - увеличение интервалов отправки данных.
[00140] Для оптимизации процесса разработки и ускорения выхода на рынок с готовым устройством, был использован готовый стек LoRaWAN от компании IBM распространяемый под лицензией Eclipse Public License v1.0, который был оптимизирован под задачу и аппаратную часть.
[00141] Для передачи данных по LoRaWAN используется А класс устройств, как наиболее энергоэффективный. Протокол обмена данными между удаленной точкой и базовой станцией использует временное разделение канала для двунаправленной передачи (дуплекс). Инициатором передачи информации выступает удаленная точка, она отправляет пакет с данными и ждет ответа от базовой станции, который может прийти в двух «окнах» приема RX1 и RX2.
[00142] Задача стека LoRaWAN имеет высший приоритет, так же для измерения точных временных промежутков используется аппаратный таймер контроллер TIM7.
[00143] Получение доступа к сети передачи данных происходит по алгоритму Over-The-Air-Activation (далее OTAA). В нем для подключения удаленной точки к сети передачи данных необходимо передать уникальный идентификационный номер устройства и номер приложения, которому устройство будет отправлять данные. Сервер приложений проверяет запрос и если такое устройство настроено на доступ к нему, то генерирует сессионный ключ шифрования для данных, базовая станция генерирует сессионный ключ шифрования для радио. Уникальный номер и номер приложения записываются в настройки устройства в момент конфигурации или производства и хранятся во внутренней энергонезависимой памяти, не доступной для чтения.
[00144] Пропускная способность протокола LoRaWAN очень ограниченна. Основной сценарий использования этой технологии, это сбор данных с датчиков типа электросчетчиков, водомерных счетчиков и т.п. Отправляя показания два раза в сутки, такие устройство от одной батареи могут работать годами.
[00145] В нашем случае количество передаваемой информации гораздо больше, примерный расчет показывает, что это около 40 байт в секунду. Передается информация от сенсоров, состояние батареи, информация о положении в пространстве ГНСС, метки маяков Bluetooth 1и др. Из этого следует, что как основной канал передачи данных LoRaWAN не подходит, но отлично подходят как резервный канал для больших дистанций. В этом случае через него будет передаваться только самая важная информация:
а) Событие определения удара - немедленно
б) Событие определения падения - немедленно
в) Состояние батареи - редко
г) Положение в пространстве ГНСС – редко
[00146] Основным каналом передачи данных является передача данных по GSM. При отсутствии связи GSM осуществляется переход на отправку только важных данных по LoRaWAN.
[00147] Алгоритм работы переключения состоит из следующих основных действий:
1) Передача данных по GSM;
2) При потере связи с GSM, переходим в процедуру установки соединения с GSM, обнуляем счетчик попыток;
3) После N неудачных попыток подключения по GSM, модуль GSM отключается, включается режим отправки только важных данных по LoRaWAN;
4)Передача данных по LoRaWAN;
5) Периодически с задаваемым значением задержки в минутах, производится проверка доступности GSM соединения, если соединение отсутствует, то производится возврат к пункту 4;
6) При появлении соединения GSM, установка связи, выход из режима только важные данные и переход на п.1.
[00148] Параметры алгоритма переключения, такие как количество попыток подключения GSM, таймауты ожидания и пр. настраиваются в процессе эксплуатации и могут быть изменены в любой момент времени. Все они хранятся во внутренней энергонезависимой памяти не доступной на чтение.
[00149] В данном случае предполагается, что с основным устройством может присутствовать заранее известный и определенный набор датчиков. Связь устройство-датчик задается командой устройству, затем устанавливается mac-адрес известного внешнего датчика, с которого необходимо принимать информацию. Таким образом, все данные, получаемые с внешних устройств неразрывно связаны с основным устройством. На основании этого было принято решение выводить единую таблицу, отображающую состояние как внутренних, так и внешних сенсоров. Графический вид отображаемой таблицы данных представлен на рисунке 8.1.
[00150] При этом в зависимости от состава данных внешнего датчика возможны следующие варианты взаимодействия изделия и датчиков:
Полезных данных нет, важен факт присутствия датчика (СИЗ)
[00151] В текущей реализации для каждого устройства возможно задать до пяти внешних bluetooth-устройств, присутствие которых необходимо проверять.
Полезные данные дублируют данные внутренних датчиков (угол наклона, движение)
[00152] В данном случае источник данных, используемых как основные, задается командой на устройстве.
Полезные данные дополняют данные внутренних датчиков (пульс, давление)
[00153] В базу данных добавляется таблица, соответствующая новому типу данных, в интерфейс вносится дополнительная строка, отображающая дополнительную информацию.
[00154] В данном случае полный список внешних устройств, взаимодействующих с основным устройством заранее неизвестен, информация с внешнего ble-устройства может поступать на несколько изделий. Что бы не допустить коллизий и дублирования хранимых данных от внешних датчиков необходимо однозначно определять, от какого датчика поступила информация, а также точное время поступления данных на устройство (при этом все изделия-трекеры должны находиться в единой временной шкале (время на принимающих устройствах должно быть синхронизировано).
[00155] Вопрос взаимной синхронизации изделий решается путем обновления системного времени устройства одним из следующих способов:
Получение времени GSM-сети
Запрос к NTP-серверу
Получение времени по GNSS
[00156] Для однозначной идентификации внешнего датчика было принято решение сделать из него независимую сущность в рамках IoT-платформы, аналогичную сущности устройства-трекера, с собственным набором хранимых данных. В данную сущность добавлен атрибут “mac-адрес” с требованием уникальности.
[00157] Для обеспечения работы устройства-трекера в режиме сбора данных с множественных устройств был доработан протокол передачи данных от устройства на сервер - добавлено новое сообщение, в рамках которого передается mac-адрес внешнего ble-устройства, точное время поступления данных, а также сами данные в бинарном формате.
[00158] При поступлении данных на сервер по mac-адресу определяется целевое устройство-источник данных, с которым необходимо ассоциировать полученную информацию. По временной метке устанавливается факт дублирования данных - при наличии идентичной временной метки в базе данных вновь поступившие данные игнорируются. Обработка бинарных данных осуществляется согласно правилам, определенным для типа внешнего устройства.
[00159] Отображение полученных данных от внешнего ble-устройства осуществляется аналогично устройству-трекеру. Полный перечень выводимых полей зависит от типа внешнего устройства.
[00160] Программная часть состоит из таймера микроконтроллера (в данном случае TIM1) генерирующего меандр для возбуждения излучателя. В качестве таймера задающего длительность сигнала используется таймер операционной системы. При поступлении команды на включение излучателя производится включение таймера-генератора и запуск таймера-задержки. По срабатыванию таймера-задержки осуществляется остановка и сброс таймер-генератора и таймера-задержки до следующего поступления команды включения.
[00161] Для поддержки удалённого оповещения данный функционал включён в систему команд изделия и вызывается по команде < beep xxx > где xxx – длительность сигнала в миллисекундах  ( например – < beep 1000 > – подать сигнал длительностью 1000 мС – 1 секунда ).
[00162] Реализованная в изделии дополнительная функция позволяет обеспечить информирование пользователя о различных событиях при минимальных затратах ресурсов микроконтроллера.
[00163] В соответствии с техническим заданием, разрабатываемое устройство должно определять и регистрировать факт наступления следующих событий:
Удар
Падение
Движение
Передача сигнала тревоги
[00164] В качестве аппаратной платформы для реализации требуемых функций был выбран 6-и осевой акселерометр LSM6DS3.
[00165] После анализа возможностей настройки и работы акселерометра было принято решение использовать аппаратное прерывание, генерируемое при нахождении устройства в невесомости для регистрации падений с высоты. Подробное описание работы алгоритма приведено в документации в эксплуатационной документации на акселерометр. [https://www.st.com/resource/en/application_note/dm00472670-lsm6ds3trc-alwayson-3d-accelerometer-and-3d-gyroscope-stmicroelectronics.pdf ]
[00166] Акселерометр имеет встроенные функции определения превышения порогового значения ускорения, которые возможно использовать для решения задач детектирования ударов и движения/неподвижности, но для возможности более детального анализа данных событий (интенсивность, характер движения, защита от ложных срабатываний, сила и продолжительность удара) было решено разработать и реализовать в изделии собственные программные реализации данных функций.
[00167] Для детектирования движения был использован следующий алгоритм:
[00168] При определении состояния покоя устройства необходимо исключить фактор гравитации из данных акселерометра, для этого применяется следующий алгоритм:
[00169] Пусть RAti = (rax,ti , ray,ti , raz,ti ) - сырые данные акселерометра (значения ускорений в каждой из трех плоскостей), гравитационная составляющая вычисляется применением фильтра:
Gti = α· Gti− 1 + (1 − α) · Rati               (10.1),
где α - параметр из интервала (0-1) по умолчанию в изделии установлено значение 0.8.
[00170] Тогда линейное ускорение вычисляется по формуле:
FAti = RAti – Gti                 (10.2)
[00171] Переход в состояние движения происходит при превышении евклидовой нормы вектора FA линейного ускорения над пороговым значением F.
[00172] Состояние неподвижности определяется в том случае, если значение FA не превысило заданного порогового значения F на временном отрезке длины Т. Началом отсчета временного интервала Т является время превышения порога
Конфигурируемые параметры алгоритма:
α - параметр фильтрации
F - пороговое значение ускорения
T - величина временного интервала в миллисекундах
[00173] Для детектирования ударов используется алгоритм, основанный на функции определения превышения порогов: программно задаются 4 уровня порогов, соответствующих силе удара, значения ускорений, полученные от акселерометра, сравниваются с данными порогами.
[00174] Для исключения дублирования событий ударов используется программный параметр T - время с момента превышения минимального порога, в течение которого не регистрируются новые удары. Уровень удара вычисляется исходя из максимального значения ускорений за время T с момента превышения порога.
[00175] Детектирование сигнала SOS происходит по алгоритму, основанному на анализе порогов. В настоящей версии реализации алгоритма предполагается, что пользователь в момент подачи сигнала тревоги неподвижен.
[00176] В качестве аппаратной платформы для реализации требуемого функционала в изделии был применен датчик VCNL4200.
[00177] Программная реализация модуля заключается в специализированной подпрограмме, разработанной на языке C. Реализованная подпрограмма позволяет осуществлять чтение данных из датчика, а затем интерпретировать, считанные данные в формате понятном для микроконтроллера устройства. Результатом работы модуля является вычисление дистанции до объекта (головы пользователя) и сигнализация при превышении заданного порогового значения.
[00178] Настоящий программный модуль предназначен для интерпретации и передачи для последующей обработки в микроконтроллер данных об атмосферном давлении и температуре внутри средства индивидуальной защиты.
[00179] Регистрация и передача данных о температуре и давлении позволит в дальнейшем оператору диспетчерского пульта определять наличие персонала внутри, либо снаружи помещения, выявлять нештатные режимы работы устройства-трекера, приводящие к нарастанию температуры. Данные о текущем значении давления позволят определять и регистрировать изменение относительной высоты устройства-трекера, что важно для работ, производимых на высоких объектах.
[00180] Аппаратная часть модуля реализована микросхеме LPS27 – барометрический датчик и термометр в одном корпусе. Подключение микросхемы барометра к микроконтроллеру осуществляется посредством шины данных SPI.
[00181] Программная реализация модуля представляет собой два файла драйверов барометра <lps27hhw_reg.h> и <lps27hhw_reg.c>, отвечающих за правильность обращения и передачи данных о температуре и давлении в микроконтроллере и пользовательских подпрограмм <pressure.h> и <pressure.c>, отвечающих за функции инициализации датчика и чтения данных данных от датчика по запросу от микроконтроллера устройства-трекера.  Данные пользовательские подпрограммы реализуют алгоритм периодичного запроса данных от датчика давления и температуры, с последующей передачей их в микроконтроллер и переводом в «спящий режим» датчика до следующего запроса, с целью повышения энергоэффективности всего устройства в целом.