Беспроводная система сбора данных

Полезная модель относится к контрольным устройствам для позиционирования объектов, сбора и обработки данных о физических параметрах окружающей среды (температура, влажность, загазованность, радиационный фон), и может быть применена при ремонте, вводе и выводе из эксплуатации химических и радиационно-опасных объектов для обеспечения безопасности и наиболее рационального перемещения персонала и оборудования. Устройство содержит базовую станцию 2, связанную с персональным компьютером 1 по последовательному или параллельному интерфейсу, по меньшей мере, три стационарных узла 3, мобильные узлы 4 и средства беспроводной передачи данных. Каждый узел 3 снабжен датчиками определения параметров окружающей среды, управляющим микроконтроллером 9, связанным с радиочастотным модулем 11 и включающим аналого-цифровой преобразователь 16, таймеры-счетчики дискретных 17 сигналов, встроенную энергонезависимую память. Мобильные узлы 4 выполнены как стационарные и снабжены блоком определения координат своего текущего местоположения. Микроконтроллеры 5,9,18 узлов системы выполнены с возможностью изменения топологии беспроводной сети связи. Датчики снабжены собственным элементом питания и/или получают питание от узла, к которому они подключены. Сеть передачи данных реализована на базе технологии IEEE 802.15.4 (ZigBee) или на базе технологии IEEE 802.11a/b/g/n (Wi-Fi). Корпуса узлов снабжены элементами крепления соответственно к поверхности и/или DIN-рейке и/или одежде. Техническим результатом от использования полезной модели является сбор данных в определенной заранее точке контролируемого пространства, определение местонахождения произвольно перемещающегося объекта, одновременный сбор данных о параметрах окружающей среды в месте нахождения объекта, повышение точности контроля на объекте наблюдения и лучшая информированности персонала, повышение безопасности проведения работ, рациональное перемещение оборудования и персонала, повышение унификации узлов системы, увеличение времени работы узлов от собственных элементов питания и срока их службы за счет примененной технологии связи и определения локального местоположения. 7 з.п. ф-лы., 1 илл.

Полезная модель относится к контрольным устройствам, в том числе устройствам позиционирования объектов, сбора и обработки данных и может быть применена при ремонте, вводе и выводе из эксплуатации химических и радиационно-опасных объектов, для мониторинга физических параметров окружающей среды (температура, влажность, загазованность, радиационный фон), обеспечения безопасности и наиболее рационального перемещения персонала и оборудования.

Известна беспроводная система сбора и передачи данных о параметрах окружающей объект среды по заявке США 2009198112 (А1), содержащая беспроводной мобильный узел, включающий элемент крепления к объекту, биометрический сенсор, датчик параметров окружающей среды и устройство беспроводной передачи биометрических и физических данных, содержащее аналого-цифровой преобразователь. Устройство включает контроллер, обеспечивающий работу беспроводного передатчика. Кроме того мобильный узел содержит небольшой объем памяти, в которой хранятся биометрические и физические данные, а также элемент питания.

Недостатком указанного устройства является отсутствие развитых сетевых возможностей, что препятствует построению разветвленной беспроводной сети сбора данных, а также отсутствие возможности определения местоположения мобильного узла относительно других мобильных узлов.

Известна система сбора данных через беспроводные сенсорные сети, их протоколирования и накопления по заявке США 20110276440 А1 содержащая набор мобильных беспроводных узлов, выполненных на базе технологии RFID, способных определять свое местоположение относительно доступных стационарных узлов, набор стационарных беспроводных узлов, встроенных в устройства контроля доступа в помещения, набор стационарных устройств чтения информации с обозначенных выше меток и способных передавать эти данные по проводному или беспроводному каналу в центральный сервер, базовая станция, приемник радиоинформации, служащий для сбора данных с активных стационарных и беспроводных узлов, выполненный в виде персонального компьютера.

Недостатками известного устройства являются отсутствие унификации между мобильными и стационарными беспроводными узлами, невозможность подключения к мобильным и стационарным узлам датчиков физических параметров окружающей среды и использования системы для сбора и накопления данных о параметрах окружающей среды, жесткая структура беспроводной сети, обусловленная использованием технологии RFID.

Наиболее близкой к предложенной является система наблюдения за параметрами окружающей среды по заявке США 2006180676 (А1), принятая в качестве прототипа. Система содержит базовую станцию, связанную с персональным компьютером и мобильный узел связанный с базовой станцией по беспроводной сети. Мобильный узел включает датчик физических параметров окружающей среды, контроллер и радио приемопередатчик для приема, обработки и передачи сигнала, полученного от датчика, видеокамеру и плату обработки ее сигнала для определения местоположения мобильного сенсора и передачи этой информации вместе с измеренными параметрами окружающей среды в базовую станцию.

Недостатком известной системы является сложность конструкции мобильного узла, невозможность обеспечения самоорганизации системы, необходимость наличия большого количества заранее созданных распознаваемых образов в контролируемом помещении и сложность метода определения местоположения мобильного узла по упомянутым образам с использованием видеосигнала камеры, установленной в мобильном узле, что снижает надежность системы и точность полученных данных.

Задача заключается в разработке беспроводной сети мониторинга физических параметров окружающей среды (температура, влажность, загазованность, радиационный фон), узлы которой обладают возможностью определения своего местоположения относительно других узлов и передачи своих координат на центральный узел сети с целью контроля физических параметров не только в фиксированных координатах пространства, но и в районе объектов, перемещающихся в пространстве по произвольной траектории: например персонала предприятия или мобильных роботов.

Техническим результатом от использования полезной модели является сбор данных в определенной заранее точке контролируемого пространства, а также определение местонахождения произвольно перемещающегося объекта и одновременном сборе данных о параметрах окружающей среды в месте нахождения упомянутого объекта, повышение точности контроля на объекте наблюдения, в том числе, на химическом или радиационно-опасном объекте, и лучшей информированности персонала, что обеспечивает большую безопасность проведения необходимых работ, рациональное перемещение оборудования и персонала. Также техническим результатом является повышение унификации узлов системы, увеличение времени работы узлов от собственных элементов питания и срока их службы за счет примененной технологии связи и определения локального местоположения.

Технический результат достигается тем, что беспроводная система сбора данных содержит базовую станцию, связанную с персональным компьютером по последовательному или параллельному интерфейсу, по меньшей мере, три стационарных узла, мобильные узлы и средства беспроводной передачи данных между упомянутыми узлами и базовой станцией. Каждый стационарный узел снабжен датчиками определения параметров окружающей среды, управляющим микроконтроллером, связанным с радиочастотным модулем и включающим аналого-цифровой преобразователь непрерывных сигналов вышеупомянутых датчиков, таймеры-счетчики дискретных сигналов вышеупомянутых датчиков, встроенную энергонезависимую память. Мобильные узлы выполнены как стационарные и снабжены блоком определения координат своего текущего местоположения. Базовая станция снабжена управляющим микроконтроллером, связанным с радиочастотным модулем связи.

Мобильные и стационарные узлы снабжены разъемами для подключения сменных датчиков с цифровым, аналоговым или счетным выходом. Микроконтроллеры стационарных и мобильных узлов, а также базовой станции выполнены с возможностью изменения топологии беспроводной сети связи. Датчики снабжены собственным элементом питания и/или получают питание от узла, к которому они подключены. В качестве датчиков определения параметров окружающей среды применяют датчики давления, температуры, влажности, состава воздуха, а также датчики радиационной обстановки. Сеть передачи данных реализована на базе технологии IEEE 802.15.4 (ZigBee) или на базе технологии IEEE 802.11a/b/g/n (Wi-Fi). Корпус стационарного узла снабжен элементами крепления к поверхности и/или DIN-рейке. Корпус мобильного узла снабжен элементами крепления к поверхности и/или одежде.

Полезная модель поясняется схемой.

Описываемая система содержит персональный компьютер 1 рабочего места оператора системы, базовую станцию 2, связанную с ним по последовательному или параллельному интерфейсу, набор стационарных узлов 3 и мобильных узлов 4, связанных с базовой станцией 2 по радиоканалу.

Базовая станция 2 содержит управляющий микроконтроллер 5, связанный с интерфейсной схемой 6, и радиочастотным приемопередатчиком 7, который через антенну 8 осуществляет взаимодействие со всеми узлами сети.

Каждый стационарный узел 3 включает электрически соединенные управляющий микроконтроллер 9, источник питания 10, радиочастотный приемопередатчик 11, антенну 12, набор датчиков с аналоговым выходным сигналом 13 и набор датчиков с дискретным выходным сигналом 14 и предназначен для сбора данных о физических параметрах окружающей среды и построения информационной измерительной сети. Управляющий микроконтроллер 9 стационарного узла 3 снабжен энергонезависимой памятью 15, в частности для хранения настроек узла и его текущих координат, многоканальным аналого-цифровым преобразователем 16, предназначенным для сбора данных с датчиков с аналоговым выходным сигналом 13 и таймерами-счетчиками 17 для сбора данных с датчиков с дискретным выходным сигналом 14. Корпус стационарного узла 3 снабжен элементами крепления, выполненными с возможностью крепления на поверхность, в частности на стену и/или на DIN-рейку, что обеспечивает быстрое монтирование узла в заданном месте.

Мобильные узлы 4 выполнены в основном так же, как стационарные узлы 3. Дополнительно управляющий микроконтроллер 18 мобильного узла 4 снабжен блоком 19 определения локальных координат, предназначенным для определения местоположения мобильного узла 4 относительно близлежащих стационарных узлов 3. Корпус мобильного узла 4 снабжен элементами крепления к поверхности и/или одежде. Корпус мобильного узла выполняют компактным для удобства размещения на движущихся объектах или, например, в кармане рабочей одежды. Микроконтроллеры 5,9,18 выполнены с возможностью изменения топологии беспроводной сети связи за счет встроенного программного обеспечения. Таким образом, беспроводная сеть связи является самоорганизующейся, она обладает возможность изменения топологии во время работы без участия человека.

Система работает следующим образом.

При подготовке беспроводной сети к работе для построения топологии сети базовая станция 2 рассылает широковещательный запрос для определения наличия узлов в сети и установки их сетевого адреса, определения всех возможных маршрутов передачи данных внутри сети.

Запросы о параметрах окружающей среды и/или о настройках мобильных и стационарных узлов 3, 4 от персонального компьютера 1 поступают по проводному интерфейсу через интерфейсную плату 6 в микроконтроллер 5 базовой станции 2, после чего посредством радиопередатчика 7, снабженного антенной 8 они передаются в эфир. Все узлы 3, 4, находящиеся в состоянии приема информации получают упомянутые запросы. Узел, принявший запрос, адресованный именно данному узлу, обрабатывает запрос, формирует ответ и передает его в обратном направлении. Принятые узлом запросы, адресованные другим узлам, передаются далее по беспроводной сети. Узел, являющийся конечным адресатом обрабатывает запрос, формирует ответ и передает по сети обратно.

Сбор данных о параметрах окружающей среды осуществляют с помощью датчиков 13, 20 и датчиков 14, 21, подключаемых соответственно к микроконтроллерам 18 мобильных узлов 4 или микроконтроллерам 9 стационарных узлов 3 по проводному интерфейсу. Прием аналоговых сигналов производится встроенным аналого-цифровым преобразователем 16, 22 соответственно управляющего микроконтроллера 9, 18, а прием дискретных сигналов - таймерами-счетчикам 17, 23 соответственно микроконтроллеров 9, 18.

Описанная система была реализована на основе следующих компонент:

- персональный компьютер стандарта IBM PC;

- базовая станция - плата SmartRF производства Texas Instruments, с установленным в ней радиомодулем СС2430 Texas Instruments;

- стационарные узлы 3 системы выполнены в виде автономных устройств с батарейным питанием. В качестве управляющего микроконтроллера 4 использована система на кристалле СС2430 с установленным внутри радиочастотным приемопередатчиком.

- мобильные узлы системы конструктивно и схемотехнически идентичны стационарным узлам, за исключением того, что в них в качестве управляющего микроконтроллера используется система на кристалле СС2431 Texas Instruments. Встраиваемое программное обеспечение этих узлов дополнено возможностью сбора информации от близлежащих узлов сети информации об уровне принятого сигнала, а так же использованием полученной информации для определения собственного местоположения мобильного узла.

- в качестве беспроводной сети была применена сеть стандарта IEEE802.15.4. Стек протокола реализован программно. Данная сеть является самоорганизующейся, она обладает возможность изменения топологии во время работы без участия человека, что достигается за счет программного обеспечения, встроенного в микроконтроллеры мобильных и стационарных узлов системы, а также базовой станции.

- в качестве датчиков с аналоговым выходным сигналом были применены: датчик температуры LM60, датчик состава воздуха TGS2602 и датчик дыма HS129; в качестве датчиков с дискретным выходным сигналом - полупроводниковый детектор ионизирующего излучения ПДПГ-006П.

Система была реализована в виде опытного образца и ее испытания показали, что созданная беспроводная система является самоорганизующейся и позволяет осуществлять сбор данных как в заданных заранее точках контролируемого пространства, в которых установлены стационарные узлы, так и в произвольных точках пространства с помощью мобильных узлов с одновременным определением координат местонахождения мобильного узла. Изготовленная система обладает высокой аппаратной унификацией, что позволяет сократить затраты на разработку и изготовление промышленного варианта системы. Несмотря на то, что мобильные и стационарные узлы были оснащены обычным батарейным питанием, использованный протокол радиосвязи обеспечивает их продолжительную непрерывную работу.

1. Беспроводная система сбора данных, содержащая базовую станцию, связанную с персональным компьютером по последовательному или параллельному интерфейсу, мобильные узлы, снабженные датчиками определения параметров окружающей среды и средствами беспроводной передачи данных между мобильными узлами и базовой станцией, отличающаяся тем, что система снабжена, по меньшей мере, тремя стационарными узлами, каждый из которых снабжен датчиками определения параметров окружающей среды, управляющим микроконтроллером, связанным с радиочастотным модулем и включающим аналого-цифровой преобразователь непрерывных сигналов вышеупомянутых датчиков, таймеры-счетчики дискретных сигналов вышеупомянутых датчиков, встроенную энергонезависимую память, при этом мобильные узлы выполнены как стационарные и снабжены блоком определения координат своего текущего местоположения, а базовая станция снабжена управляющим микроконтроллером, связанным с радиочастотным модулем связи.

2. Беспроводная система сбора данных по п.1, отличающаяся тем, что мобильные и стационарные узлы снабжены разъемами для подключения сменных датчиков с цифровым, аналоговым или счетным выходом.

3. Беспроводная система сбора данных по п.1, отличающаяся тем, что микроконтроллеры стационарных и мобильных узлов, а также базовой станции выполнены с возможностью изменения топологии беспроводной сети связи.

4. Беспроводная система сбора данных по п.1, отличающаяся тем, что датчики снабжены собственным элементом питания и/или получают питание от узла, к которому они подключены.

5. Беспроводная система сбора данных по п.1, отличающаяся тем, что в качестве датчиков определения параметров окружающей среды применяют датчики давления, температуры, влажности, состава воздуха, а также датчики радиационной обстановки.

6. Беспроводная система сбора данных по п.1, отличающаяся тем, что сеть передачи данных реализована на базе технологии IEEE 802.15.4 (ZigBee) или на базе технологии IEEE 802.11a/b/g/n (Wi-Fi).

7. Беспроводная система сбора данных по п.1, отличающаяся тем, что корпус стационарного узла снабжен элементами крепления к поверхности и/или DIN-рейке.

8. Беспроводная система сбора данных по п.1, отличающаяся тем, что корпус мобильного узла снабжен элементами крепления к поверхности и/или одежде.