Многофункциональный беспроводной контроллер
Полезная модель относится к области сбора информации и дистанционного управления территориально удаленными объектами, такими, как артезианские скважины, лифтовое хозяйство, а также приборы учета расхода воды, тепла, газа, электроэнергии и другие учетные приборы коммунального хозяйства. Сбор информации и управление осуществляются при помощи компьютера, подключенного к Интернету, расположенного на диспетчерском пункте и связанного с многофункциональным беспроводным контроллером двухсторонней связью через Интернет. Обеспечена низкая стоимость эксплуатации устройства. К многофункциональному беспроводному контроллеру приборы учета подключаются как через интерфейс RS232, так и через интерфейс RS485. Объекты управления и контроля подключаются непосредственно через соответствующие входы и выходы: дискретные и аналоговые. Аналоговые токовые сигналы от 0 до 100 Ампер подключаются через гальванически развязанный узел преобразования тока в напряжение. 2 илл., 9 з.п. ф-лы.
Многофункциональный беспроводной контроллер предназначен для сбора данных от территориально удаленных объектов, таких, как артезианские скважины, лифтовые хозяйства, а также приборы учета расхода воды, тепла, газа, электроэнергии и других учетных приборов коммунального хозяйства и дистанционного управления этими объектами. Также может быть использован в нефтедобывающей промышленности.
По функциональному назначению известно подобное «Устройство диспетчеризации территориально разнесенных объектов» (Патент РФ №2237286), которое содержит совокупность территориально разнесенных терминальных устройств, связанных с помощью адаптеров, каждый из которых содержит микроконтроллер, приемник системы местоопределения GPS и модуль GSM, снабженный антенной, через сеть GSM, содержащую систему пакетной передачи сообщений GPRS и центр коротких сообщений SMS, с центром диспетчеризации, обеспечивающим прием, накопление, обработку и анализ сообщений от терминальных устройств.
Недостатком данного устройства является то, что передача информации осуществляется на основе системных кадров, которые синхронизируются по временным меткам, получаемым от приемника системы GPS, и производится всегда по наступлению момента синхронизации, а не по запросу от диспетчерского пункта или по желаемому интервалу времени, который устанавливает пользователь. К недостаткам можно отнести также использование дополнительного канала GSM-сети, что приводит к использованию нестандартного оборудования и в конечном итоге внедрение и эксплуатация становятся очень дорогими.
Наиболее близким к заявляемому является «Устройство диспетчеризации территориально разнесенных объектов» (Патент РФ №
52228), содержащее совокупность территориально разнесенных терминальных устройств, связанных с помощью адаптера первого, содержащего микроконтроллер и модуль GSM, снабженный антенной, через цифровую сеть, содержащую систему пакетной передачи сообщений GPRS и центр коротких сообщений SMS, с центром диспетчеризации, обеспечивающим прием, накопление, обработку и анализ сообщений от терминальных устройств. В этом устройстве центр диспетчеризации снабжен адаптером вторым, содержащим микроконтроллер и модуль GSM, а адаптер первый дополнительно реализует протокол TCP/IP, на основе которого система GPRS обеспечивает подключение диспетчерского центра к глобальной сети Интернет, а также адаптер первый снабжен возможностью преобразовывать сигнал от адаптера второго, проходящего через систему CSD, в команду передачи информации от терминальных устройств в центр диспетчеризации, причем каждое из терминальных устройств состоит из первичного прибора, соединенного через счетчик расхода воды, или тепла, или газа, цифровой интерфейс с микроконтроллером адаптера первого.
Недостатком данного устройства является наличие на диспетчерском пункте дополнительного адаптера, который выполняет роль инициатора соединения. В случае, если диспетчерский пункт расположен в зоне радиотени, что бывает часто, приходится антенну GSM монтировать на мачту с оборудованной молниезащитой, что вносит дополнительные расходы, кроме расходов на сам адаптер.
К недостаткам указанного устройства относится также то, что к адаптеру первому невозможно непосредственно подключать первичные приборы, а только через промежуточные устройства, так называемые счетчики, преобразующие и обрабатывающие сигналы первичных приборов.
При срыве связи с диспетчерским пунктом восстановление связи возможно лишь через вызов с диспетчерского пункта при помощи адаптера второго, что является существенным недостатком: в случае срабатывания в это время охранной сигнализации доставка сообщения об этом производится
лишь после восстановления связи. Известно, что подобные срывы связи возможно восстановить лишь путем полного сброса программного обеспечения удаленного GSM-модема из-за проблемы «полного зависания» модема, а достигнуть этого можно лишь при помощи отключения и включения питания GSM-модема. Это характерно для ряда операторов GSM/GPRS-сетей, которые во время своих регламентных работ требуют на некоторое время обесточить SIM-карту (Журнал «Беспроводные технологии» №2-2008, стр.10-12). Для осуществления полного сброса модема требуется выезд персонала на место установки адаптера, что требует значительных затрат времени и средств.
Отсутствие резервного питания адаптера указанного устройства не позволяет передать на диспетчерский пункт информацию о пропадании сетевого питания.
Еще одним существенным недостатком указанного устройства является то, что отсутствует двухсторонняя связь с диспетчерским пунктом, что не позволяет осуществлять управление удаленными объектами.
Техническим результатом заявляемого устройства является обеспечение надежного непрерывного контроля и управления удаленными объектами с минимальными денежными затратами.
Преимуществами заявляемого устройства являются также следующие особенности: обеспечивается надежная непрерывная двухсторонняя связь с диспетчерским пунктом без участия внешних устройств и без участия обслуживающего персонала, двухсторонняя связь позволяет осуществлять не только мониторинг удаленных объектов, но и управление ими, обеспечивается подключение первичных датчиков непосредственно к многофункциональному беспроводному контроллеру, который обрабатывает поступающие сигналы, преобразует их в цифровой вид и архивирует, обеспечивается возможность подключения удаленных на расстояние до 3 км объектов по радиоканалу, возможность подключения токовых датчиков с токами от 0 до 100 Ампер, продолжение
функционирования устройства при пропадании сетевого питания, обеспечение работоспособности устройства в зимнее время при минусовой температуре.
Вышеуказанный технический результат достигается в многофункциональном беспроводном контроллере (1), структурная схема которого представлена на рисунке 1, содержащем микропроцессор (11), связанный с часами реального времени (6), энергонезависимой памятью (7), интерфейсом RS232 (4), интерфейсом RS485 (3), GSM/GPRS-модулем (12) с антенной (27), радиомодулем (14) с антенной (28), двумя узлами управления внешними объектами (17, 19), узлом согласования входных дискретных сигналов (16), с гальванически развязанным узлом преобразования тока в напряжение (10), с резервным питанием (27), датчиком температуры (13) и обогревателем (8). Микропроцессор (11) осуществляет обработку полученной информации с внешних объектов, перевод информации в цифровой код, запись в энергонезависимую память для хранения и подготовку ее для передачи по беспроводной связи, функцию установки интервала времени, по истечении которого вся информация автоматически передается на диспетчерский пункт, управление и контроль GSM/GPRS-модулем для непрерывной двухсторонней связи с диспетчерским пунктом через Интернет и радио-модулем для соединения с удаленными на расстояние до 3 км внешними объектами через радиоканал. Микропроцессор постоянно отслеживает состояние связи с диспетчерским пунктом и восстанавливает ее в случае пропадания связи. В случае «полного зависания» GSM/GPRS-модуля микропроцессор отключает питание модуля на несколько секунд и вновь включает его и осуществляет процесс установления TCP/IP сессии через GPRS и Интернет. Получив из диспетчерского пункта управляющие команды, микропроцессор осуществляет управление внешними объектами, например, включает или выключает двигатель насоса артезианской скважины при помощи узлов управления внешними объектами (17, 19). Измерение аналоговых сигналов от датчиков с токовыми выходами,
подключенных к узлу преобразования тока в напряжение (10), производится внутренним 10-разрядным АЦП микропроцессора. Узел согласования входных дискретных сигналов (16) имеет 8 входов и гальванически развязан от внешних объектов. По этим входам принимаются дискретные сигналы типа «включен/выключен», поэтому они используются в качестве входов датчиков охранной сигнализации. Эти же каналы используются для измерения частоты и подсчета количества импульсов в качестве счетчика. При подключении к этим входам первичных датчиков с частотным выходом, например, датчика расхода жидкости, реализуется 8-канальный расходомер для измерения как мгновенного, так и интегрального расхода жидкости. Питание многофункционального беспроводного контроллера осуществляется от аналогового блока питания (23), реализованного на основе сетевого трансформатора. Сетевой фильтр (22) применяется как для подавления импульсных помех, поступающих от сети, так и для защиты самой сети от высокочастотных помех. В качестве резервного питания использован литийионный аккумулятор (27), заряд которого осуществляет узел заряда аккумулятора (24). Зарядка осуществляется в режиме капельного заряда. Резервное питание используется на короткое время для передачи на диспетчерский пункт информации о пропадании сетевого питания и записи в энергонезависимую память (7) этой нештатной ситуации, а также сохранение в энергонезависимую память накопленной на данное время информации. Часы реального времени (6) предназначены для привязки к дате и времени с точностью до секунды информации, записываемой в энергонезависимую память. Переход на резервное питание осуществляет коммутатор (25) автоматически. Часы реального времени постоянно продолжают работать от резервного питания, т.к. их потребление не более 10 мкА не является существенным для аккумулятора. После восстановления сетевого питания многофункциональный беспроводной контроллер самостоятельно восстанавливает связь и передает на диспетчерский пункт информацию о восстановлении сетевого питания и записывает эту же информацию в энергонезависимую память с привязкой к дате и времени. Датчик
температуры (13) применяется для измерения температуры внутри корпуса многофункционального беспроводного контроллера и для включения обогревателя (8), если температура опускается ниже 0 градусов. Температура внутри корпуса должна поддерживаться для возможности зарядки литийионного аккумулятора в зимнее время, т.к. литийионные аккумуляторы при температуре ниже 0 не заряжаются. В качестве обогревателя использованы 2-Ваттные сопротивления, которые мягко включаются и выключаются в момент перехода фазы сетевого питания через «ноль» с целью исключения коммутационных помех. Интерфейс RS485 (3) предназначен для подключения внешних устройств с таким же интерфейсом, причем реализована возможность подключения по витой паре до 255 внешних приборов, удаленных на расстояние до 1200 м. Интерфейс RS232 (4) предназначен для подключения прибора, не имеющего интерфейс RS485, а также для подключения многофункционального беспроводного контроллера к компьютеру для осуществления настройки. GSM/GPRS-модуль (12) с антенной (27) предназначен для непрерывной двухсторонней связи с диспетчерским пунктом через Интернет. Радиомодуль (14) с антенной (28) предназначен для соединения с удаленными на расстояние до 3 км внешними объектами через радиоканал.
Многофункциональный беспроводной контроллер работает следующим образом. Вначале производится настройка: в держатель SIM-карты GSM/GPRS-модуля (12) устанавливается SIM-карта, многофункциональный беспроводной контроллер через интерфейс RS232 (4) подключается к компьютеру, через который в многофункциональный беспроводной контроллер записываются IP-адрес и порт компьютера диспетчерского пункта, драйвера с протоколами связи обслуживаемых приборов и другие параметры, к которым относятся в том числе интервал опроса, т.е. интервал времени, по истечении которого на диспетчерский пункт передается вся информация. Интервал опроса устанавливается от 1 секунды до 24 часов. От интервала опроса напрямую зависит оплата - чем
больше интервал опроса, тем меньше цена. Пользователь в зависимости от задачи решает, получать информацию в режиме реального времени или раз в сутки.
На месте установки к многофункциональному беспроводному контроллеру через клеммные колодки (2, 5, 9, 15, 18, 20) подключаются входные и выходные сигналы для сбора информации и управления. К клеммной колодке (21) подключается сетевой кабель ˜220 В. Сразу после включения сетевого питания многофункциональный беспроводной контроллер устанавливает через систему GPRS и Интернет связь с диспетчерским пунктом и поддерживает связь непрерывно. Через промежутки времени согласно интервалу опроса вся полученная и обработанная информация передается на диспетчерский пункт. В случае поступления сигнала от датчиков охранной сигнализации эта информация передается немедленно на диспетчерский пункт независимо от установленного интервала опроса. В случае длительного отсутствия связи с диспетчерским пунктом, например, при поломке компьютера, вся информация, предназначенная для передачи на диспетчерский пункт, записывается в архив энергонезависимой памяти (7), а при возобновлении связи все содержимое архива немедленно передается на диспетчерский пункт и архив очищается. В процессе работы пользователь в любое время имеет возможность с диспетчерского пункта опросить и поменять все установленные в процессе настройки параметры в многофункциональном беспроводном контроллере.
На рисунке 2 представлена структурная схема системы диспетчеризации, организованной на основе многофункционального беспроводного контроллера. В удаленных местах, где расположены объекты, предназначенные для контроля и управления, устанавливаются многофункциональные беспроводные контроллеры (1). К интерфейсу RS485 (34) многофункционального беспроводного контроллера подключаются устройства с интерфейсом RS485, такие, как счетчики электроэнергии (29), теплосчетчики или счетчики расхода воды, расхода газа и т.д. (31),
соединенные с первичными приборами (30), расположенные в радиусе 1200 м до 255 штук.
К интерфейсу RS232 (37) многофункционального беспроводного контроллера подключаются устройства (38), не имеющие интерфейса RS485.
Ко входам (32) подключаются датчики охранной сигнализации, другие дискретные сигналы, приборы с частотными выходами, такие, как вихревые электромагнитные преобразователи сигнала (ВЭПС) расхода жидкости, датчики со стандартными токовыми выходами (0-20 мА), такие, как датчики давления, уровня и температуры, датчики с токовыми выходами от 0 до 100 Ампер, например для измерения токов трех фаз электродвигателя насоса скважины. К выходам управления внешними объектами (33) подключаются объекты, предназначенные для управления путем релейной коммутации. В местах, где не проложен кабель связи или невозможно его проложить, устанавливаются радиомодемы (35) с антенной (36), связанные с объектом, предназначенным для контроля и управления (30). В таких случаях многофункциональный беспроводной контроллер осуществляет связь с объектами контроля и управления посредством радиомодуля (14) с антенной (28) через радиоканал.
Многофункциональные беспроводные контроллеры через систему GPRS и Интернет соединены с диспетчерским пунктом (39). Передача информации между многофункциональным беспроводным контроллером и диспетчерским пунктом осуществляется на основе протокола TCP/IP. На диспетчерском пункте расположен компьютер, подключенный к Интернету по выделенной линии с фиксированным IP-адресом.
1. Многофункциональный беспроводной контроллер, содержащий микропроцессор, обеспечивающий обработку полученной информации с внешних объектов, перевод информации в цифровой код, запись в энергонезависимую память для хранения и подготовку ее для передачи по беспроводной связи, функцию установки интервала времени, по истечении которого вся информация автоматически передается на диспетчерский пункт, управление и контроль GSM/GPRS-модулем и радиомодулем, связанный с часами реального времени, энергонезависимой памятью для хранения информации, интерфейсом RS232, интерфейсом RS485 для подключения внешних устройств, GSM/GPRS-модулем с антенной для непрерывной двухсторонней связи с диспетчерским пунктом через Интернет, радиомодулем с антенной для соединения с удаленными на расстояние до 3 км внешними объектами через радиоканал, двумя узлами управления внешними объектами для реализации управления двумя внешними объектами, узлом согласования входных дискретных сигналов для получения информации о состоянии внешних объектов, в том числе с датчиков охранной сигнализации, с гальванически развязанным узлом преобразования тока в напряжение для подключения токовых датчиков с токами от 0 до 100 А, с резервным питанием для автономной работы, датчиком температуры и обогревателем для поддержки необходимой температуры в корпусе контроллера в зимнее время.
2. Многофункциональный беспроводной контроллер по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью подключения к нему до 255 внешних приборов по интерфейсу RS485, удаленных на расстояние до 1200 м.
3. Многофункциональный беспроводной контроллер по п.1, отличающийся тем, что интерфейс RS232 предназначен для подключения прибора, не имеющего интерфейс RS485, а также для подключения многофункционального беспроводного контроллера к компьютеру для осуществления настройки.
4. Многофункциональный беспроводной контроллер по п.1, отличающийся тем, что при пропадании связи с диспетчерским пунктом продолжает автономно работать и записывает всю полученную от внешних объектов информацию в собственном энергонезависимом архиве и при возобновлении связи передает весь накопленный архив на диспетчерский пункт.
5. Многофункциональный беспроводной контроллер по п.1, отличающийся тем, что на диспетчерский пункт передает собственную температуру, уровень сигнала передачи/приема GSM/GPRS модема, состояние сигналов управления внешними объектами.
6. Многофункциональный беспроводной контроллер по п.1, отличающийся тем, что при срабатывании датчиков охранной сигнализации эта информация передается на диспетчерский пункт моментально через сеть Интернет.
7. Многофункциональный беспроводной контроллер по п.1, отличающийся тем, что микропроцессор постоянно контролирует состояние связи с диспетчерским пунктом и при пропадании связи со стороны удаленной системы микропроцессор автоматически восстанавливает связь.
8. Многофункциональный беспроводной контроллер по п.1, отличающийся тем, что интервал времени, по истечении которого вся информация автоматически передается на диспетчерский пункт, устанавливается от 1 с до 24 ч.
9. Многофункциональный беспроводной контроллер по п.1, отличающийся тем, что функция установки интервала времени, по истечении которого вся информация автоматически передается на диспетчерский пункт, выполнена с возможностью изменения ее пользователем в процессе эксплуатации с диспетчерского пункта.
10. Многофункциональный беспроводной контроллер по п.1, отличающийся тем, что для связи с многофункциональным беспроводным контроллером на диспетчерском пункте необходим только компьютер, подключенный к Интернет по выделенной линии с фиксированным IP-адресом.
