УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ДАННЫХ ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ВО ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЯ САМОГО УСТРОЙСТВА

Полезная модель относится к устройству для сбора и передачи пространственно-временных данных об окружающей среде во время движения самого устройства и предназначена для решения задач дистанционного сбора пространственно-временных данных на территориально-распределенных объектах в промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве, для автоматизации научных исследований и в других отраслях экономики и социальной сферы. Устройство может быть использовано также в составе киберфизической системы мониторинга производственных процессов.
Данные о неопределенности измерения должны всегда приниматься во внимание при оценке соответствия результата измерения его целям. Неопределенность измерения (согласно ГОСТ 34100.1-2017) неопределенность измерения - это общее понятие, связанное с любым измерением. Неопределенность характеризует разброс измеренных значений, в пределах которого они могут быть объективно приписаны к измеряемой величине. Например, область неопределенности определения местоположения измерения в момент измерения в случае использования для этой цели приемников глобальных навигационных спутниковых систем (например, GPS или ГЛОНАСС) может определяться координатами центра (широтой и долготой), полученными приемником, и радиусом, определяемым на основе показателя «горизонтальное снижение точности», который обозначается в англоязычной научной литературе аббревиатурой HDOP (horizontal dilution of precision).
Неопределенность измерения, как правило, включает в себя много составляющих, которые, вообще говоря, могут зависеть друг от друга, что усложняет оценку итоговой неопределенности.
В связи с появлением и внедрением в производство киберфизических систем особенно важной стала оценка пространственной неопределенности измерения, то есть определение области пространства, в которой было произведено измерение.
В дорожной карте направления Национальной технологической инициативы «Технет» были определены технологические направления, составляющие компоненты
Фабрики Будущего, которые включают в себя промышленную сенсорику, то есть внедрение интеллектуальных сенсоров в помещение на уровне цеха или фабрики в целом. По мере наблюдаемого ужесточения допусков в технологических процессах роль неопределенности измерений при оценке соответствия этим допускам все более возрастает.
Согласно российскому стандарту ГОСТ Р ГСИ 8.673–2009 под интеллектуальным датчиком (сенсором) понимается адаптивный датчик с функцией метрологического самоконтроля, который должен содержать параметры и алгоритмы работы, способные изменяться в зависимости от внешних сигналов. Развитие технологий в этой области  привело к появлению устройств, обеспечивающих возможность определения своего местоположения, снабженных интеллектуальными датчиками и возможностями использовать беспроводные сети передачи данных – геосенсоров. Беспроводные сети геосенсоров могут быть определены как беспроводные сенсорные сети, которые предназначены для получения данных о событиях, для которых пространственный аспект собранных данных имеет существенное значение. Значимость пространственного аспекта собранных данных может проявляться по крайней мере на одном из следующих уровней:
- уровень контента, то есть пространственный аспект может быть основным содержимым данных, собираемых датчиками сети (например, датчиками, регистрирующими движение или деформацию объектов);
- уровень анализа, то есть сведения о местоположении датчиков могут обеспечить интегративный уровень для анализа собранных данных (например, для анализа пространственного распределения каких-либо параметров, значимых для управления производственным процессом).
Рост возможностей получения с помощью сетей интеллектуальных геосенсоров разнообразных пространственно-временных данных привел к необходимости решения проблемы увеличения точности оценки пространственной неопределенности. В случае проведения измерений распределенных пространственно-неравномерно параметров среды на территориально-распределенных объектах с помощью движущихся устройств эта сложность становится особенно высокой. Предположим, мы периодически (с некоторым  заданным временным интервалом) измеряем с помощью движущегося устройства параметры газовой среды (например, содержание СО и NO2) и хотим получить как можно
более точную оценку пространственной и временной неопределенности полученных измерений этих параметров. Иначе говоря, мы хотим приписать получаемым от датчиков этого движущегося устройства значениям уровня СО и NO2 как можно более точно определенные пространственные и временные области.
В известном из уровня техники решении (патент РФ на полезную модель 102394, опубл. 27.02.2011 г., МПК: G05B23/02) сенсорные узлы состоят из одного базового модуля и одного периферийного модуля, взаимодействующих между собой с помощью шины расширения сенсорного узла. Базовый модуль имеет два интерфейса, один из которых подключен к шине расширения сенсорного узла, а другой подключен к транспортной сети,  периферийный модуль имеет два интерфейса, один из которых подключен к шине расширения сенсорного узла, а другой подключен к датчику или исполнительному механизму. В качестве шины расширения сенсорного узла используются шины на базе I2С
или CANbus. В наиболее предпочтительном варианте исполнения полезной модели сенсорный узел состоит из базового сенсорного узла и нескольких периферийных модулей, а периферийный модуль имеет несколько интерфейсов для подключения различных датчиков и/или исполнительных механизмов, например интерфейсы, 4-20 мА, 0-24 В, "сухой контакт", RS-232, RS-422, RS-485, интерфейсы для подключения термопары, медных и платиновых термометров сопротивления, тензодатчиков с мостовой схемой включения, электрохимических датчиков газов.
В случае подключения в качестве одного из датчиков, подключенных к периферийному модулю, устройства определения местоположения, мы можем получить некоторое значение местоположения, связанное с измерением. Однако, для оценки пространственной неопределенности этого измерения в случае перемещающегося сенсорного узла, возможно использовать только очень грубую оценку сверху, то есть определять эту пространственною область как набор местоположений которых можно достигнуть из полученного значения местоположения с учетом скорости модуля (которая может меняться), суммарного времени опроса всех периферийных модулей (для каждого периферийного модуля суммарного времени опроса всех датчиков подключенных к этому модулю), а также неопределенности определения местоположения самого устройства определения местоположения (которое вообще говоря тоже меняется).
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи получения точной оценки неопределенностей проводимых измерений во время движения самого устройства, связанных с этим движением, и предназначена для решения задач дистанционного сбора пространственно-временных данных на территориально-распределенных объектах в промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве.
Знание неопределенности измерения позволяет сопоставлять результат измерения с установленными требованиями при оценке соответствия, находить вероятность принятия неправильного решения и с ее учетом управлять возникающими рисками.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности сбора пространственно-временных данных, выполняемого во время движения устройства, за счет обеспечения более точной оценки пространственной неопределенности проводимых измерений, связанных с этим движением, и их учета при математической обработке измерений.
Технический результат достигается тем, что заявленное устройство для сбора и передачи пространственно-временных данных об окружающей среде во время движения самого устройства содержит центральный процессор, блок определения местоположения, коммуникационный блок, использующий беспроводную сеть связи, энергонезависимую
память, блок измерения времени, контролер датчиков и сами датчики, при этом, датчики подключены к единой расширяемой шине, поддерживающей унифицированный цифровой протокол обмена данными и обеспечивают параллельную работу независимо взаимодействуя с контроллером через шину.
В предпочтительном варианте все датчики подключаются к единой расширяемой шине, поддерживающей унифицированный цифровой протокол обмена данными. Все датчики могут работать параллельно и независимо, взаимодействуя с контроллером через шину.
Постобработка результатов первичного преобразования может производиться независимо от измерений, на центральном процессоре.
В предпочтительном варианте каждый датчик обеспечивает механизм временной координации измерений, снабжающий измерения метками времени (интервалов времени).
Все данные измерений (отметки времени, указание на местоположение в пространстве и значения других измеряемых величин) могут передаваться в систему обработки вместе с данными о неопределенности соответствующего измерения.
Преобразования значений времени, положения в пространстве и других измеряемых величин производятся с учетом данных об их неопределенности и, в свою очередь, тоже снабжаются данными о неопределенности.
Передача данных на внешние (по отношению к устройству) устройства может производиться независимо от выполнения самих измерений с настраиваемой частотой. Все выполненные измерения могут передаваться на внешние устройства.
На Фиг. 1 показана блок-схема заявленного устройства.
Под устройством определения местоположения подразумевается приемник глобальных спутниковых систем позиционирования (GPS, Глонасс).
В отдельных случаях это могут быть: - приемники локальных систем позиционирования, в частности на основе WiFi, - системы инерциального позиционирования, - комбинация перечисленного выше.
Коммуникационное устройство, использующее беспроводную сеть связи подразумевает устройства для связи с сотовыми сетями (4G, LTE). В отдельных случаях это могут быть локальные сети связи типа Wi-Fi, ZigBee и др.
Под устройством с энергонезависимой памятью в простейшем случае подразумевается флеш-память (SD-карта), в более сложном - твердотельный диск (SSD). Предназначен для хранения, главным образом:
- измерений (еще не переданных во внешнюю систему или за определенный
период времени),
- настроек устройства и параметров датчиков.
Под устройством измерения времени подразумеваются автономные часы реального времени (real time clock, RTC). Например, STMicroelectronics семейства M41T6x или Cymbet семейства EnerChip RTC.
Контролер датчиков - микроконтроллер, с одной стороны взаимодействующий с шиной датчиков, с другой - с центральным процессором. Обеспечивает возможность центрального процессора с операционной системой реального времени, непригодного для решения задач строгого реального времени, взаимодействовать, посредствам шины, с датчиками, работающими в режиме реального времени.
Обеспечивает передачу настроек устройства на микроконтроллеры датчиков, сбор
данных с них и буферизацию.
Способен отдавать данные центральному процессору пакетно, в формате "все накопившиеся с прошлого запроса измерения".
Датчики представляют собой устройство состоящее в свою очередь из первичного
преобразователя, микроконтроллера и периферийных устройств обеспечивающих их
функционирование.
Первичный преобразователь (Измерительный преобразователь) – техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки. Может быть любого типа и задачи, в частности, но не ограничиваясь, задачами измерения метеорологических (давление, температура, влажность и т.п.) и экологических (освещенности, концентрация газов в воздухе и т.п.) показателей.
Микроконтроллер обеспечивает получение измерительных сигналов от первичного преобразователя, их представление в унифицированном виде, снабжение их необходимыми метками времени и неопределенности измерений. Микроконтроллером может служить представитель семейства AVR ATTiny производства Atmel Corporation.
Конкретная структура неопределенности является предметом
самостоятельного исследования, но в грубой форме, на данном этапе, она состоит, в том
числе, из:
1. неопределенности работы самого первичного преобразователя,
2. неопределенности преобразования измерительного сигнала (например
аналогово-цифровое преобразование),
неопределенности измеренных моментов времени начала и окончания
измерения.
Все датчики подключаются к единой расширяемой шине. Технология шины может быть любой: SPI, I2С, CANbus и др. Главное требование - обеспечение возможности взаимодействия достаточного количества устройств с достаточной пропускной способностью. Значения данных параметров определяются областью применения устройства.
В устройство каждого датчика заложен механизм временной координации измерений. Каждый микроконтролер, в том числе используемые на датчиках, обладают счетчиками локального времени (как правило, с момента старта микроконтроллера).
Данный механизм предполагает получение данных о глобальном точном времени, от контроллера датчиков и их сопоставление с данными локального времени.
В результате, каждое проводимое измерение может быть координировано во времени: т.е. иметь запись о моментах начала и окончания.
Все преобразования значений времени, положения в пространстве и других измеряемых величин производятся с учетом данных об их неопределенности и, в свою очередь, тоже снабжаются данными о неопределенности.
Любой первичный (измерительный) и промежуточный (аналогово-цифровой) преобразователь, часы реального времени, системы определения местоположения и т.п. обладают некой неопределенностью.
Чаще всего она может быть задана как константа (например, в виде A+/-B), либо в формате таблицы зависимости от других параметров: так, многие процессы зависим от температуры. Реже - в аналитическом виде (в виде формул). Кроме того, физическая и логическая организация процессов измерения, а также особенности предметной области, также вносят неопределенности.
Простейший пример: положение антенны системы определения местоположения
физически не совпадает с положением первичного преобразователя. В зависимости от задач, ставящихся перед устройством, возможны различные требования к точности, которые, в свою очередь, обуславливают то, какими неопределенностями можно пренебречь, а какие - необходимо учесть. Если известна неопредленность исходных величин, то можно определить неопределенность величин, являющихся результатом математического преобразования исходных.
Таким образом, модель устройства предполагает, что данные о неопределенности сопровождают измерения на всех этапах от первичного преобразования до их передачи во внешнюю систему.
Передача данных на внешние (по отношению к устройству) устройства выполняется независимо от выполнения самих измерений с настраиваемой частотой.
Каждый первичный преобразователь имеет собственный оптимальный цикл работы, который может длиться от единиц миллисекунд до десятков секунд.
В то же время, логика отправки данных во внешние системы (центр сбора данных), реализуемая прикладным ПО, выполняемым на центральном процессоре, может предполагать различные частоты отправки данных, в диапазоне от 0.01 до 10 Гц.
Кроме того, частота отправки измерений может определяться динамически, в зависимости от измеренных данных, заложенной в прикладное ПО логики и внешних команд.
Таким образом, циклы отправки данных и измерений должны быть максимально независимы и изолированы друг от друга.