Беспроводная система сбора информации от интегрированных датчиков

Предлагаемое решение относится к системам сбора информации и передачи ее по беспроводным сетям. Предлагаемая система предназначена для использования, например, для контроля в отраслях нефтегазовой промышленности. Беспроводная система сбора информации от интегрированных датчиков содержит базовую станцию (1. Рис.1), с подключенным к ней через интерфейс управляющим компьютером (2 Рис.1) и узлы системы (3, 4, 5, 6, 7, 8. Рис.1), при этом узел системы содержит приемопередатчик (1 Рис.2), контроллер (2, Рис.2), схемы сопряжения контроллера с датчиками с возможностью подключения датчиков, а также источник питания либо преобразователь напряжения (20 Рис.2)), при этом процессор контроллера и программное обеспечение выполнено с возможностью предварительной обработки сигналов от датчиков и осуществления связи с другими узлами сети посредством радиоканала. Передача данных от удаленных узлов (5, 6, 7, 8) Рис.1 к базовой станции производится в несколько скачков через промежуточные узлы сети, что позволяет обеспечивать связь между узлами системы, находящимися вне прямой радиовидимости по отношению к базовой станции.

Предлагаемое решение относится к промышленной автоматике, а именно к системам сбора информации и передачи ее по беспроводным сетям. Предлагаемая система может быть применена преимущественно для сбора, обработки информации, поступающей от датчиков, расположенных на нефте-газо-добывающих скважинах месторождений для выдачи статистических данных по работе каждой скважины, сигналов предупреждения в случае возникновения нештатной ситуации, для предотвращения выхода из строя оборудования. Система также может использоваться в автоматизации контроля расхода ресурсов эксплуатирующих организаций, в системах охраны и пожарного контроля, а также в бытовой электронике и технике, обеспечивая возможность управления различными бытовыми приборами с помощью одного универсального устройства.

Известна система, содержащая локальный терминал, центральный терминал, включающий в себя, по меньшей мере, ЭВМ и модем данных, подключенный к ЭВМ через блок сопряжения локального терминала, силовую сеть электропитания, к которой подключено несколько абонентских комплектов, - группа датчиков, модем данных каждого абонентского комплекта для приема и передачи манипулированных сигналов в полосе, не превышающей 4F, соответственно на несущих частотах nF и mF, где F - частота силовой сети электропитания, n и m - номера ее гармоник, выбранные в пределах от 10 до 20000, при этом модем данных локального терминала выполнен с возможностью передавать и принимать аналогичные сигналы соответственно на несущих частотах mF и nF, контроллер каждого абонентского комплекта выполнен с возможностью осуществления считывания информации с, по крайней мере, одной группы датчиков и накопления ее в течение заданного интервала времени, выдачи накопленной информации либо циклически, либо выборочно, в зависимости от вида запроса, и/или при возникновении необходимости срочной передачи данных, а локальный терминал выполнен с возможностью приема и накопления данных от контроллеров всех абонентских комплектов и выдачи накопленных данных.(патент РФ на изобретение №2178951)

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является Система автоматического сбора и передачи показаний счетчиков расхода воды, газа и электроэнергии (заявка РФ №2003102370/09, опубликовано 2004.06.20) содержащая по

меньшей мере одно передающее устройство для передачи показаний счетчика и по меньшей мере один принимающий компонент для приема этих показаний, причем упомянутое по меньшей мере одно передающее устройство содержит подсистему аппаратного интерфейса, адаптирующую поступающий со счетчика расхода сигнал для его обработки подсистемой микроконтроллера, которая выполняет программное приложение и подготавливает показания счетчика расхода для отправки подсистемой передачи в радиодиапазоне на по меньшей мере один принимающий компонент, отличающаяся тем, что упомянутые по меньшей мере одно передающее устройство и один принимающий компонент определяют беспроводную сеть независимой конфигурации, самоорганизующуюся в области, в которой показания счетчиков передаются на очередной компонент с использованием технологий многоскачкового распространения сигнала согласно следующему алгоритму маршрутизации: принимающим компонентам присваивается значение "t", в максимуме равное "Т", если максимальное значение принимающих компонентов, находящихся в непосредственной близости от определенного узла сети передачи данных, равно присвоенному значению "t", этому узлу присваивается значение "t-k", каждый узел передает сообщение соседнему узлу со значением "t", которое превышает его собственное значение, а если имеется более одного узла с одним и тем же максимальным значением, сообщение передается на один из таких узлов.

Заявляемая полезная модель направлена на решение следующей технической задачи:

Сбор информации от большого количества (до нескольких тысяч) географически распределенных датчиков (устройств), не имеющих каких-либо проводных соединений, при отсутствии прямой радиовидимости между центром сбора данных и отдельными датчиками (устройствами) с возможностью динамического включения в сеть новых устройств, не требующее ручного конфигурирования сети и не подлежащей лицензированию.

Технические результаты, получаемые при реализации полезной модели.

Система осуществляет сбор информации от удаленных датчиков с передачей этой информации в центр (базовую станцию) по радиоканалу.

Система поддерживает до 65000 устройств, к которым подключены датчики.

Радиоинтерфейс и протокол доступа к среде обеспечивают передачу данных от устройства к базовой станции через промежуточные устройства сети, вне прямой радиовидимости между базовой станцией и устройством.

Протокол доступа к среде обеспечивает автоматическое реконфигурирование сети при включении нового устройства и выключении любого устройства.

Используется радиопередатчик мощностью не более 10 мВт, работающий в диапазоне 433 МГц. Радиоустройство с такими параметрами не требует лицензирования.

Структурная схема заявляемой полезной модели представлена на Рис.1, где:

1 - базовая станция;

2 - управляющий компьютер;

3, 4, 5, 6, 7, 8 - узлы системы;

9 - радиус действия прямой радиосвязи;

10 - топология передачи данных.

Структурная схема узла системы представлена на Рис.2, где

1 - микросхема приемопередатчика;

2 - контроллер;

3 - ЧМ-модулятор (DDS);

4 - ЧМ-демодулятор;

5 - фильтр;

6 - интерфейс управления;

7 - ФАПЧ

8 - ГУН

9 - Усилитель

10 - Усилитель мощности

11 - МШУ (малошумящий усилитель)

12 - процессор

13 - Программируемый ввод-вывод

14 - USART (универсальный синхронно-асинхронный усилитель)

15 - USART (универсальный синхронно-асинхронный усилитель)

16 - память Flash 60 kB

17 - память SRAM 2 kB

18 - Программируемый ввод-вывод

19 - Аналогово-цифровой преобразователь 8 каналов

20 - преобразователь напряжения, либо источник питания

Заявленный технический результат достигается за счет того, что система содержит базовую станцию (1. Рис.1), с подключенным к ней через интерфейс управляющим компьютером (2 Рис.1) и узлы системы (3, 4, 5, 6, 7, 8. Рис.1), при этом узел системы содержит приемопередатчик 1 Рис.2), контроллер (2, Рис.2), схемы сопряжения с контроллерами датчиков с возможностью подключения датчиков (не показано), а также источник питания либо преобразователь напряжения (20 Рис.2)), при этом процессор и программное обеспечение контроллера выполнено с возможностью предварительной обработки сигналов от датчиков и осуществлением связи с другими узлами сети посредством радиоканала. Передача данных от удаленных узлов (5, 6, 7, 8) Рис.1 к базовой станции производится в несколько скачков через промежуточные узлы сети, что позволяет обеспечивать связь между узлами системы, находящимися вне прямой видимости по отношению к базовой станции.

Система состоит из базовой станции (возможно, резервированной), и узлов сети, к которым подключены контроллеры датчиков или сами датчики. К базовой станции через интерфейс подключается управляющий компьютер, который может выполнять функции контроллера беспроводной сети сбора информации или служить шлюзом в IP-сеть, объединяющую несколько беспроводных сетей. Базовая станция включает в себя приемопередатчик. Базовая станция осуществляет передачу команд и запросов управляющего компьютера по радиоканалу узлам системы, а также прием данных от узлов системы и передачу их управляющему компьютеру.

Разработанные для данной системы протоколы обеспечивают маршрутизацию и перенаправление сообщений, а также автоматическое (ре)конфигурирование сети при вводе и отключении узлов сети и переключении с основной базовой станции на резервную.

В состав узла системы входят две основных подсистемы:

- Приемопередатчик 1 (Рис.2),

- контроллер 2 (Рис.2),

а также источник питания или преобразователь напряжения и другие вспомогательные схемы.

Контроллер выполняет функции управления радиоканалом, реализует протоколы доступа к среде (MAC) и сетевого уровня, в качестве контроллера могут использоваться, например микроконтроллеры семейства Atmel AVR.

Контроллер содержит универсальный синхронно-асинхронный порт для связи с основным контроллером, выполняющим функции сбора и обработки информации с датчиков.

Возможно и использование контроллера узла непосредственно для сбора информации с датчиков. В этом случае используются находящиеся на кристалле АЦП и линии программируемого ввода-вывода и разрабатываются соответствующие прикладные программы для работы в среде исполнения устройства.

В узлах системы используется операционная система, обеспечивающая высокую скорость обработки информации при небольшом занимаемом объеме памяти.

Архитектура рассматриваемой системы основана на трех типах объектов - события, активные сообщения и компоненты. В отличие от большинства традиционных систем, отсутствует понятие процесса как базового элемента системы. Система делится на компоненты, включающие в себя исполняемый код и кадр с переменными. Все компоненты и связи между ними устанавливаются статически во время компиляции системы. Выполнение кода компонента вызывается событием. В качестве события может выступать аппаратное прерывание или приход активного сообщения. Сообщение называется активным потому, что в его заголовке содержится индекс его обработчика - компонента системы, ответственного за интерпретацию данного сообщения. Сообщения могут приходить как через аппаратные порты (от радиоприемника или последовательного порта), так и программно от других компонентов системы.

Модель выполнения программ с помощью событий обеспечивает естественную реализацию задач узла беспроводной сети, поскольку все его действия так или иначе связаны с внешними событиями (приход пакета) или срабатыванием таймеров.

Активные сообщения поддерживают единую модель передачи данных как между программными компонентами внутри узла, так и между узлами. Модель активных сообщений обеспечивает быструю обработку сообщения (поскольку не требуется интерпретация битовой структуры для определения обработчика и демультиплексирования) и простую расширяемость семейства протоколов.

Для рассматриваемой системы приняты канальные и сетевые протоколы. В отличие от традиционных протоколов, отсутствует жесткое разделение на канальный и сетевой уровень. В частности, нет отдельного заголовка канального уровня, а МАС-адрес и сетевой адрес совпадают.

В то же время, реализация этих протоколов полностью программная, что позволит в будущем изменять их и, при необходимости, даже обеспечить совместимость с IP на любом необходимом уровне.

Канальный протокол представляет собой протокол случайного доступа с обнаружением несущей и избежанием столкновений (CSMA/CA), аналогичный по принципу работы протоколу беспроводных сетей IEEE 802.11. Отдельный заголовок МАС-уровня не предусмотрен, поскольку МАС-адрес узла и его сетевой адрес совпадают, и обработка пакета производится программным обеспечением интегрированно, без разделения на канальный и сетевой уровни.

Длина МАС-адреса 16 бит, что обеспечивает возможность работы 65 тыс.узлов в одной сети.

Сетевой протокол тесно интегрирован с операционной системой и средой выполнения программ. Он обеспечивает следующие базовые примитивы:

- передачу сообщения без гарантии доставки (best-effort),

- адресацию,

- направление принятого сообщения соответствующему программному обработчику.

Пакет имеет только два фиксированных поля: адрес узла-получателя и идентификатор программного обработчика, которому должен быть доставлен пакет в узле-получателе (см. рис.3а). Все прочие поля (например, длина пакета), вообще говоря, зависят от конкретного обработчика. Два адреса выделены: 0×FFFF является широковещательным адресом, 0×FF7E - адрес базовой станции.

Дополнительные компоненты среды исполнения обеспечивают:

- маршрутизацию (по заданному маршруту с указанием промежуточных узлов или по направлению к базовой станции);

- проверку целостности сообщения с помощью циклического избыточного кода или проверку и коррекцию 1 -битовой ошибки;

- функцию шлюза между радиосетью и последовательным портом узла.

Для построения таблицы маршрутизации система использует вариант алгоритма Destination-Sequenced Distance Vector, оптимизированный для передачи данных от периферийных узлов к базовой станции.

Система работает следующим образом. Каждый узел системы знает лишь свой собственный адрес. Базовая станция периодически посылает в широковещательном режиме сообщения, в которых идентифицирует себя. Узлы, находящиеся в пределах видимости базовой станции (3, 4), используют эти сообщения для обновления своих таблиц маршрутизации. Затем они посылают сообщения всем узлам, которые могут их слышать (№5, 6, 7, 8), о том, что через них есть путь к базовой станции. Узел системы запоминает первое из полученных сообщений, обновляющих таблицу маршрутизации, что соответствует самому короткому пути к базовой станции.

Для сбора информации каждый узел периодически собирает и передает данные, а также принимает участие в маршрутизации данных по направлению к базовой станции. Передача данных узлом производится по адресу узла, от которого было получено последнее сообщение об изменении таблицы маршрутизации. Получатель повторяет этот процесс, и в конце концов пакет достигает базовой станции. В системе каждый узел знает адрес узла, который находится на один скачок ближе к базовой станции.

Рассмотренный алгоритм обеспечивает быстрое обновление данных о топологии сети в случае установки новых устройств или выключения каких-либо узлов. Кроме того, автоматически достигается возможность резервирования базовой станции, поскольку в случае выхода из строя основной базовой станции достаточно включить резервную и новая топология связей выстроится менее чем за секунду.

1. Беспроводная система сбора информации от интегрированных датчиков, содержащая более одного узла системы с возможностью подключения датчиков, включающего приемопередатчик и контроллер, при этом процессор контроллера и программное обеспечение выполнены с возможностью предварительной обработки данных, полученных от датчиков и связи узла системы посредством радиоканала с другими узлами системы, отличающаяся тем, что узел системы содержит источник питания, либо преобразователь напряжения, система дополнительно содержит базовую станцию с подключенным к ней через интерфейс управляющим компьютером, при этом программное обеспечение компьютера и процессора контроллера узлов системы выполнено с возможностью передачи данных от узлов системы, находящихся вне прямой зоны радиовидимости, к базовой станции в несколько скачков через промежуточные узлы системы.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что управляющий компьютер имеет выход в IP-сеть.