СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА КЛИМАТА
INTEGRATED CLIMATE MONITORING SYSTEM

Уровень техники
Из уровня техники известно устройство контроля микроклимата в помещении. (RU197598U1, 15.05.2020). Устройство содержит дисплей, устройство управления питанием датчика углекислого газа, DC/DC-преобразователь, модуль связи, датчик углекислого газа, установленные на плате, причем микроконтроллер включает блок получения значений с датчиков устройства, блок расчета поправочного коэффициента по влажности, блок расчета поправочного коэффициента по температуре, блок расчета отношения сопротивлений датчика углекислого газа, блок расчета концентрации углекислого газа, блок записи данных, оперативную память микроконтроллера.
Недостатком данного решения является то, что такое конструктивное выполнение не имеет достаточного количества необходимых разъемов и типов интерфейсов для подключения датчиков и исполнительных устройств, не обеспечивается вариативность питания и подключения датчиков, отсутствует сторожевой таймер, нет возможности работы от аккумуляторного питания, не обеспечивается непрерывная работоспособность и возможность настраивания работы устройства пользователем, что в совокупности не позволяет назвать данное устройство универсальным, эффективным и надежным.
Заявленное устройство позволяет в существенной мере преодолеть указанные недостатки, присущие аналогу.
Раскрытие изобретения
Техническая задача заключается в создании системы мониторинга климата, способной эффективно и надежно выполнять свою работу, обладать при этом универсальностью и вариативностью, позволяя пользователю получать данные о любых параметрах климата в любом сочетании в любых условиях.
Технический результат заключается в обеспечении надежности работы системы мониторинга и ее универсальности, повышающие оперативность получения данных о климате и эффективность мониторинга климата в целом.
Технический результат достигается за счет того, что система комплексного мониторинга климата включает соединенные между собой посредством беспроводной связи климатический зонд и облачный сервер, причем климатический зонд содержит корпус, каркас, закрепленный в корпусе, материнскую плату закрепленную на каркасе, при этом материнская плата содержит установленные на ней микроконтроллер с беспроводными интерфейсами, выполненный с возможностью приема и передач управляющих сигналов, разъемы для подключения по меньшей мере одного измерительного датчика, блок питания, блок управления питанием, сторожевой таймер, причем сервер и зонд снабжены программным API интерфейсом, выполненным с возможностью получения данных с климатического зонда как с помощью облачного сервера, так и напрямую, минуя обращение к облачному серверу, при этом система выполнена с возможностью автоматической смены прошивки климатического зонда в зависимости от установленного в нем, и обнаруженного через сканирование разъемов при запуске, по меньшей мере одного измерительного датчика.
Кроме того, в качестве разъемов, установленных на материнской плате, для подключения измерительных датчиков используются по меньшей мере три разъема с интерфейсом I2C, по меньшей мере два разъема с интерфейсом UART, по меньшей мере один разъем с интерфейсом SPI и по меньшей мере один аналоговый разъема.
Кроме того, на материнской плате климатического зонда установлены разъемы питания типа USB type-C, DC barrel и клеммный терминал.
Кроме того, климатический зонд выполнен с возможностью питания от двух источников.
Кроме того, на микроконтроллере дополнительно установлены аккумуляторная батарея, контроллер заряда/разряда аккумуляторной батареи и блок резервного питания.
Кроме того, на микроконтроллере дополнительно установлены часы реального времени и внешняя энергонезависимая память.
Кроме того, система выполнена с поддержкой работы gsm, Bluetooth, wifi, ethernet, modbus интерфейсов передачи данных с возможностью одновременной работы с несколькими из них.
Осуществление изобретения
Заявленная система мониторинга климата предназначена для контроля и оздоровления климата, позволяет собирать, анализировать и визуализировать информацию о параметрах климата на различных объектах, управлять климатической техникой и передавать собранные данные, уведомления и команды конечному потребителю. Потребителем (пользователем) может выступать человек, устройство или внешняя информационная система.
В число объектов мониторинга могут входить:
• объекты недвижимости - жилые помещения, склады, офисы, приемные, технические помещения (серверные и др.), магазины, объекты культуры и исторические сооружения, социальные объекты (школы, детские сады, больницы), производственные помещения и лаборатории, фермы и теплицы;
• открытые пространства (для целей экомониторинга);
• прочие объекты (автомобили и проч. техника, вытяжки).
Система обладает следующими основными характеристиками:
• широкий набор параметров мониторинга климата (более 20);
• широкий набор пользовательских (UI) и программных (API) интерфейсов;
• реализация в концепции интернета вещей (IoT);
• модульное исполнение и возможность кастомизации под потребности пользователя.
Система состоит из следующих элементов:
• климатический зонд (IoT), обеспечивающий сбор данных о климате и их передачу в облачное хранилище (облачный сервер), настройку параметров мониторинга и передачу данных, визуальную индикацию качества отдельных параметров среды;
• облачный сервер с web-интерфейсом и API - осуществляет хранение, анализ и визуализацию данных, осуществляет мониторинг и управление работой климатического зонда, поддерживает работу API.
Климатический зонд включает корпус, каркас, устанавливаемый неподвижно в корпус, материнскую плату с микроконтроллером, установленную в каркас, снабженную различными разъемами и интерфейсами, от одного до нескольких климатических измерительных датчиков, вспомогательные элементы. Корпус зонда может быть выполнен любой формы и из любых материалов.
Корпус может состоять из двух частей - собственно основной части корпуса и задней крышки.
Каркас выполнен таким образом, что позволяет надежно и просто установить/закрепить элементы в корпусе, например, материнскую плату, различные датчики и вспомогательные элементы. Каркас может крепиться к корпусу несколькими путями, например:
- На внутренней стороне основной части корпуса устанавливаются полозья, в которые ставится и фиксируется каркас. Каркас прижимается к основной части корпуса задней крышкой корпуса.
- Каркас крепится к задней крышке корпуса на винты. Далее каркас вставляется в основную часть корпуса. Крышка крепится к основной части, обеспечивая, таким образом, неподвижность каркаса внутри корпуса.
Материнская плата крепится к каркасу на винтах. Для установки платы в каркас предусмотрено специальное посадочное место с опорами, совпадающими с отверстиями в материнской плате. Через эти отверстия закручиваются винты. Винты ввинчиваются в опоры, фиксируя материнскую плату на посадочном месте.
Материнская плата опрашивает и обрабатывает показания измерительных цифровых и аналоговых датчиков с последующим логированием данных и их отправкой через сеть интернет, выдачей управляющих воздействий, обеспечивает работоспособность при отключении питающего напряжения.
Облачный сервер и климатический зонд могут быть снабжены программным API интерфейсом, выполненным с возможностью получения данных с климатического зонда как с помощью облачного сервера, так и напрямую, минуя обращение к облачному серверу, при этом система может быть выполнена с возможностью автоматической смены прошивки климатического зонда в зависимости от установленного в нем, и обнаруженного через сканирование разъемов при запуске, по меньшей мере одного измерительного датчика.
В качестве измерительных датчиков могут быть использованы цифровые и аналоговые датчики, такие как: датчики радиации, анемометры, датчики температуры, влажности, давления, концентрации пыли, концентрации летучих органических соединений (ЛОС), формальдегида, датчики уровня шума, освещенности, пульсации света, спектра света, напряженности магнитного поля, вибрации, а также датчики CO2, NH3, CO, NO2, H2, C2H5OH, O3, O2 и другие.
При этом датчики измеряют различные параметры климата (от одного до двадцати двух параметров) с широким диапазоном и малой погрешностью, что обеспечивает высокую точность и полноту измерения окружающего климата. Ниже представлена таблица с примерами параметров измерений, с их диапазоном и погрешностью.
Таблица 1
№
Параметр
Диапазон
Погрешность
1
Температура
- 40 до 80
± 0.5°C
2
Влажность
0 - 99,9%
± 2 %.
3
Давление
300 - 1100 гПа
±0.6 гПа
4
Концентрация пыли pm1, pm2.5, pm10
0 -500 мкг/м<sup>3</sup>
±10 мкг/м<sup>3</sup>
5
Концентрация ЛОС (VOC)
0 - 1187 мм<sup>3</sup>/м<sup>3</sup>
± 0.5 мм<sup>3</sup>/м<sup>3</sup>
6
Концентрация CO2
0 - 5000 см<sup>3</sup>/м<sup>3</sup>
±50 см<sup>3</sup>/м<sup>3</sup>
7
Уровень шума
30 - 90 Дб
1,5 Дб
8
Освещенность
1 - 65535 люкс
7 люкс
9
Пульсация света
0-1000%
10%
10
Напряженность магнитного поля
±4800 мкТл
1.2 мкТл
11
Вибрация
±2 g
2 %
12
Спектр света
450…650 нм
±5 нм
13
NH3
0.697 - 348.264 мг/м<sup>3</sup>
10%
14
CO
0 - 572.804 мг/м<sup>3</sup>
10%
15
NO2
0.094 - 18.818 мг/м<sup>3</sup>
10%
16
H2
0.083 - 82.618 мг/м<sup>3</sup>
10%
17
C2H5OH
0.409 - 94.213 мг/м<sup>3</sup>
10%
18
O3
0 - 19.632 мг/м<sup>3</sup>
0.098 мг/м<sup>3</sup>
19
O2
0-25%
2%
20
Формальдегид
0 - 6.14 мг/м<sup>3</sup>
0.012 мг/м<sup>3</sup>
21
Радиация
0 - 144 000 мкР/ч
10% (по радию)
22
Скорость воздушного потока
0 - 30 м/c
0.3+ 5%
Материнская плата выполнена с автономным питанием, на ней установлены микроконтроллер с беспроводными интерфейсами, например, WiFi и Bluetooth, для передачи данных, разъемы (порты) для подключения измерительных датчиков и исполнительных устройств, блок питания, блок управления питанием, часы реального времени, внешняя энергонезависимая память, сторожевой таймер, аккумуляторная батарея, контроллер заряда/разряда аккумуляторной батареи, блок резервного питания.
Для подключения измерительных датчиков может быть предусмотрены по меньшей мере три разъема с интерфейсом I2C, по меньшей мере два разъема с интерфейсом UART, по меньшей мере один разъем с интерфейсом SPI и по меньшей мере один аналоговый разъем.
В качестве поддерживающей инфраструктуры, закрепленной на каркасе, могут выступать такие вспомогательные элементы как кулер, lora/ethernet/gsm модем, аккумулятор, кнопки, диодная матрица и др.
Питание может осуществляться от сети 5В - 3А (JST 2.54) и от литий-ионного аккумулятора (1S - 3.7B) (JST 2.54). Также на плате установлен контроллер заряда/разряда аккумулятора (power management). В качестве разъемов питания, установленных на плате, могут использоваться USB type-C, DC barrel и клеммный терминал.
Дополнительно на плате установлены внешняя энергонезависимая EEPROM память на 512 Кбайт и часы реального времени с батарейкой для логирования данных, боковая тактовая кнопка, светодиод заряда аккумулятора. Посредством соответствующих разъемов на плате имеется возможность установки кулера (JST 2.54), возможность установки пищалок с генератором и без (JST 2.54), возможность установки GSM-модема, возможность установки Ethernet-модуля;
Разъем JST 2.54 защелкивается в ответной части и обеспечивает стойкий и надежный к вибрациям и другим механическим воздействиям контакт.
Для обеспечения бесперебойной работы и увеличения эффективности/надежности работы системы на плате установлен сторожевой таймер. Он служит для предотвращения «зависания» основного микроконтроллера. При работе платы его необходимо периодически перезагружать. Для этого необходимо подать на ножку IO32 переменный фронт (переход сигнала с низкого положения в высокое) импульса. Данные импульс должен поступать как минимум каждые 60 секунд (можно чаще). При зависании контроллера таймер перезагружает его по питанию - на время примерно 200мс у контроллера пропадает питание, после чего восстанавливается.
Блок управления питанием выбирает в зависимости от нагрузки и мощности блока питания - источник питания (аккумуляторная батарея или внешний блок питания). В случае пропадания питания он выступает в качестве блока бесперебойного питания (резервного питания).
Блок управления представляет из себя сборку транзисторов для выдачи управляющего воздействия - такого как управления силовым реле. Позволяет подключить нагрузку с потреблением суммарно до 1 А.
Кроме того, предусмотрен интерфейс подключения цифровой периферии через блок управления цифровой периферии с возможностью ШИМ, а также интерфейс для вентилятора с регулятором его оборотов, интерфейс для светодиодной панели, интерфейс OneWire.
Сервер способен принимать любые наборы климатических данных с устройств. Интерфейсы способны передавать любые наборы климатических данных с устройств.
Облачный сервер содержит пользовательский web-интерфейс, который выполняет следующие функции:
• визуализация данных с устройств;
• управление и настройка устройств;
• экспорт данных с устройств.
Интерфейс содержит следующие блоки информации и элементы управления:
• форма регистрации с полями для авторизации и ссылкой на регистрацию в системе;
• интерактивная карта с указанием точек расположения устройств и возможностью перехода к статистике по устройствам;
• ссылка на переход в личный кабинет;
• блок навигации между доступными зданиями, помещениями и устройствами;
• блок с текущими показателями значений параметров климата с цветовой индикацией соответствия климата текущему климатическому профилю (нормам);
• кнопки для отображения исторической информации (графиков) и перехода к полной версии карты;
• виджет с исторической информацией, графиками;
• блок выбора периода отображения исторической информации, графиков;
• кнопки для экспорта исторической информации (данных графиков) и скрытия исторической информации;
• скрол для навигации между виджетами.
Система позволяет пользователю получать данные о любых параметрах климата в любом сочетании в любых условиях. За счет модульного характера датчиков пользователь сам выбирает параметры климата, интерфейсы и корпусирование. Независимо от выбранных датчиков и интерфейсов данные передаются на сервер и выводятся в интерфейсы передачи данных.
Обновление устройства осуществляется в автоматическом режиме. Прошивки хранятся на сервере. Прошивки поступают на устройства с центрального сервера при условии подключения устройства к сети интернет. Прошивка устройства осуществляется в автоматическом режиме. Проверка наличия новой прошивки осуществляется устройством при включении, а также каждые сутки работы.
Алгоритм прошивки:
• устройство проводит проверку прошивки на сервере;
• при наличии более новой прошивки устройство скачивает ее и переходит в режим обновления.
Программный интерфейс (API) на устройстве.
Функционал «аппаратно» API позволяет получать пользователем данные с климатического зонда напрямую, минуя обращение к облачному серверу. Для получения данных по климатическому зонду необходимо знать его ip-адрес или его доменное имя.
Программный интерфейс (API) на сервере.
Функционал API реализует два сценария:
• получение последних данных по климатическому зонду;
• получение выборки всех данных по запрашиваемому устройству в указанном промежутке времени.
Первоначально на контролере зашита прошивка, реализующая только две функции: регистрация устройства в облаке и опрос портов для определения подключенных датчиков. После успешного опроса и регистрации устройства на сервере на сервер передается запрос на предоставление прошивки в соответствии с найденными на устройстве (на портах (разъемах) устройства) датчиками.
При добавлении в зонд нового датчика датчик будет автоматически обнаружен через сканирование портов при запуске и подключен к устройству.
В системе может быть реализовано несколько разных версий прошивок. Различия в прошивках обусловлены набором поддерживаемых датчиков и логикой работы с ними (логикой сбора параметров с датчиков). Например, первая версия получает данные о температуре с внутреннего датчика bme680, вторая версия - с датчика анемометра, третья версия - с выносного температурного датчика. При добавлении в зонд нового датчика датчик также будет обнаружен (через сканирование портов при запуске) и подключен к устройству и при необходимости загружена новая версия прошивки.
Преимущества заявленной системы:
• подключение любого набора датчиков в зависимости от потребностей пользователя
• возможность добавления/изъятия/замены датчика в уже работающем устройстве
• возможность использования устройства в разных условиях: дом, офис, улица, вытяжка и др.
• возможность снятия 20+ параметров климата одним устройством
• поддержка 5+ разных интерфейсов передачи данных (gsm, bt, wifi, ethernet, modbus и др.), возможность одновременной работы с несколькими интерфейсами (ethernet+gsm и др.)
• точность профессиональных датчиков за счет подключения уже представленных на рынке сенсоров
• простая интеграция с другими системами за счет реализации универсального (единого в независимости от количества датчиков) api на устройстве и на сервере
• возможность подключения к облаку разных версий устройств
• возможность работы с устройством (получения данных) через различные каналы: мобильное приложение, web-ui на устройстве, web-ui на сервере, телеграм-бот, api.
При первом запуске устройство автоматически производит поиск подключенных сенсоров (датчиков) и интерфейсов передачи данных.
После составления перечня подключенных компонентов устройство автоматически обращается к серверу и скачивает прошивку для работы с заданным набором компонентов. Устройство автоматически обновляет прошивку.
При следующем запуске и последующей работе устройство раз в заданный интервал времени собирает данные с сенсоров и передает их на сервер. С сервера устройству возвращаются настройки (при необходимости) и управляющие команды.
Также по управляющей команде устройство может поднимать собственный сервер с пользовательским интерфейсом, позволяющий провести настройку работы устройства (конфигурацию сетей передачи данных, настройку работы датчиков, диодов и проч.) через web-ui.
Сервер принимает и хранит данные с устройства. Также сервер отвечает за функционал авторизации устройств, пользователей и внешних информационных систем.
Пользовательский интерфейс на сервере позволяет просматривать текущие и исторические данные с устройств, осуществлять настройку устройств и режимов отображения данных, настройку работы системы уведомления.
Программные интерфейсы позволяют по внешней команде получать текущие или исторические данные о климате по конкретным устройствам с устройств или сервера.
Система мониторинга выполнена с возможностью работы в различных вариантах, например:
1. Передача данных с датчика во внешнюю систему
На датчике реализован программный интерфейс, позволяющий внешним информационным системам получать данные с устройства. Для получения данных используется логика "запрос-ответ". Потребителем выступает внешняя система, Поставщиком - датчик. Внешняя ИС направляет запрос данных на датчик и ждет ответ. Датчик в ответном сообщении передает собранные данные последнего измерения в виде массива данных.
2. Передача данных с датчика на сервер
Датчик в течение определенного времени собирает данные. Датчик формирует запрос к серверу. В запросе содержатся данные о параметрах климата и времени измерения в виде массива. В ответном сообщении сервер передает на датчик подтверждение получения данных, либо ошибку, либо подтверждение о получении данных + массив с настройками для измерения параметров мониторинга. К настройкам могут относиться обновленные параметры частоты сбора/передачи данных, конфигурации работы диодной матрицы и др.
Сервер накапливает данные с датчика. Далее:
2.1 При работе пользователя с сервером через личный кабинет (веб-интерфейс) на сервере отрисовывается веб-страница с текущими (историческими/динамическими) данными о климате.
2.2 При работе пользователя с сервером через внешнюю информационную систему используется программный интерфейс на сервере. Внешняя ИС направляет к серверу запрос на предоставление текущих данных с определенного датчика или данных за период времени с определенного датчика. В ответном сообщении сервер передает во внешнюю ИС запрошенные данные в виде массива.