-
Die
Erfindung betrifft ein System zur Überwachung Atemschutzgeräteträgern.
-
Bei
der Feuerwehr werden im Einsatz umluftunabhängige Atemschutzgeräte eingesetzt,
sogenannte Preßluftatmer.
Mittels dieser Geräte
können die
Feuerwehrmänner/frauen
noch in total verqualmten Räumen
Arbeiten durchführen.
Die dazu notwendige Atemluft wird auf dem Rücken in einer oder zwei Stahl-
bzw. Verbundwerkstoffflaschen mitgeführt. Der Betriebsdruck dieser
Flaschen beträgt
je nach Bauform 200 bzw. 300 bar bei einem Flascheninhalt von 4
bzw. 6 Liter Druckluft. Beispielsweise benutzt man einen PA94+ Preßluftatmer
der Firma Dräger
mit zwei 4 l, 200 bar Stahlflaschen. Hier beträgt der Luftvorrat 1600 l, das
reicht für
eine Einsatzdauer von ca. 20 Minuten bei mittelschwerer Arbeit.
Im Normalfall wird die Einsatzzeit der ausschließlich als Trupp, d.h. zu zweit,
vorgebenden Einsatzkräfte
von einem Feuerwehrmann überwacht,
der sich die Zeit des Einsatzbeginns notiert. Sollte nach einer
gewissen Zeit keine Rückmeldung
von einem Trupp erfolgen, so kann man eingreifen und Rettungsmaßnahmen
einleiten. Dieses Verfahren birgt jedoch einige Risiken, und es
ist auch schon mehrmals zu schweren Unfällen gekommen.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein System zur Verfügung zu stellen, das diesen
oben beschriebenen Kontroll- und Überwachungsprozeß vereinfacht
und automatisiert.
-
Aus
der
DE 296 20 650
U1 ist ein mikroprozessorgesteuertes Überwachungssystem für zeitbegrenzte
Tätigkeiten,
wie beispielsweise für
das Arbeiten unter Atemschutz, bekannt. Innerhalb eines wasserdichten
Gehäuses
sind ein Mikroprozessor in Kombination mit einer Blitzleuchte, einem
akustischen Signalgeber, einem beleuchteten LCD-Display sowie zwei Tastaturen
eingebaut, wobei alle von außen
zugänglichen
Bedienelemente und Baugruppen in wasserdichter Ausführung gewählt sind.
Alle in Frage kommenden, zu überwachenden
Personen werden namentlich in einem permanenten Speicher abgelegt.
Die Eingabe eines jeweiligen zu Überwachenden
geschieht durch Eingabe eines Zahlencodes, dem der Name zugeordnet
wird. Dieser wird angezeigt und muss durch eine Taste bestätigt werden.
Nach Bestätigung
fragt das System den Flaschendruck ab, errechnet nach Eingabe des
Flaschendrucks die maximale Einsatzzeit und beginnt mit dem Überwachungsprozess.
Nach Erreichen einer zuvor festgelegten Zeit erfolgt eine akustische und
optische Warnung, die von einem Überwachenden
durch Tastendruck quittiert werden muss, wobei hierbei der zu Überwachende
namentlich angezeigt wird. Innerhalb des Gerätes werden somit Daten, die für die Überwachung
von einer begrenzten Anzahl von Personen benötigt werden durch Eingabe abgelegt.
Das Gerät
selbst verbleibt bei einer Überwachungsperson.
-
Die
EP-A-08 01 368 offenbart
ein Überwachungsgerät zum Einsatz
bei Atemschutzgeräten, die
beispielsweise von Feuerwehrleuten getragen werden. Das Überwachungsgerät enthält einen
mit einer Pressluftflasche verbundenen Drucksensor sowie einen Bewegungssensor.
Eine Alarmeinrichtung erzeugt ein Warnsignal, wenn der Druck einen
kritischen Wert erreicht oder wenn sich der Benutzer nicht mehr
bewegt. Ferner umfasst das Überwachungsgerät eine Infrarot-Schnittstelle,
um eine externe digitale Funkeinrichtung über eine Infrarotverbindung
anzukoppeln. Mit Hilfe der über
die Infrarotverbindung angekoppelten digitalen Funkeinrichtung können dann
Daten von dem Überwachungsgerät zu einem
Notfall-Manager übertragen werden,
der die Aktivität
des Benutzers überwacht.
-
Erfindungsgemäß besteht
die Lösung
der Aufgabe nach dem Anspruch 1 in einem System aus Mobilteil und
Basisstation, die vitale Daten vom Einsatztrupp über eine Funkverbindung austauschen und
abhängig
hiervon Alarmmeldungen auslösen. Vorteilhaft
ist hierbei, daß Rettungsmaßnahmen
sehr viel früher
eingeleitet werden können
und daß weitgehend
menschliche Fehler beseitigt sind, da die Daten laufend ausgetauscht
werden.
-
Zweckmäßige Weiterbildungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. Hierbei ist besonders sinnvoll, als vitale Daten den
aktuelle Flaschendruck, die verstrichene Einsatzzeit und die Umgebungstemperatur
zu ermitteln und zu übertragen. Weiterhin
ist eine Notruffunktion zweckmäßig, die
bei längerer
Bewegungslosigkeit oder über
einen Handgriff ausgelöst
wird. So kann der Benutzer auch dann um Hilfe rufen, wenn es z.B.
nicht mehr möglich
ist, das Funksprechgerät
zu benutzen. Durch eine visuelle und/oder akustische Anzeige wird
es einer überwachenden
Person ermöglicht,
mit einem Blick den Status von bis zu zwei Trupps, d.h. vier Atemschutzträgern, zu überwachen.
Besonders vorteilhaft ist eine automatische Sprachausgabe bestimmter
Daten oder Hinweise, die regelmäßig erfolgt;
z.B. ist die automatische regelmäßige Ansage
des aktuellen Druckes an den Flaschenträger eine erhebliche Erleichterung,
da er nicht mehr ständig
das Manometer kontrollieren muß.
Vorteilhaft ist auch, wenn die Basisstation als Handgerät ausgebildet
ist, was einen noch flexibleren Einsatz ermöglicht.
-
Anhand
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen wird die erfindungsgemäße Losung
näher beschrieben.
-
Es
zeigen:
-
1:
schematisch ein erfindungsgemäßes System
mit einer Basisstation und vier Mobilteilen,
-
2:
das Prinzip der Bi-Phase-M-Modulation,
-
3:
das Blockschaltbild eines Mobilteils,
-
4:
das Blockschaltbild einer Basisstation,
-
5:
den beispielhaften Schaltplan eines Mobilteils, und
-
6:
den beispielhaften Schaltplan einer Basisstation.
-
Das
System nach 1 besteht aus zwei Grundkomponenten,
einem oder mehrerer Mobilteile 21 und einer Basisstation 20.
Die Mobilteile 21 sind bei den Preßluftatmern 22 angeordnet,
nehmen dort die Meßgrößen (Flaschendruck,
Temperatur, Notruf, Einsatzzeit) auf und übermittelt sie per Funk an
die Basisstation 20. Der Flaschendruck wird zusätzlich für eine spätere Auswertung
in einem nicht flüchtigen Speicher
abgelegt. Diese Speicher können
sowohl beim Mobilteil 21 als auch bei der Basisstation 20 gleichzeitig
vorhanden sein. Möglich
ist es auch, daß sie
nur jeweils bei einem Teil vorhanden sind. Die Basisstation 20 wird
von einer Person, die Überwachungs-
und Steueraufgaben wahrnimmt und z.B. die Zeiten erfaßt, in der
Hand getragen und empfängt
die Datentelegramme der Mobilteile 21. Auf einer 4 × 20 Zeichen
Flüssigkristallanzeige
(LC-Display) kann diese Person jederzeit den Status der bis zu vier
Mobilteile 21 ablesen. Die Mobilteile 21 dienen
aber nicht nur als Sensoreinheit, sondern treten auch direkt mit
dem Träger
des Atemschutzgerätes
in Verbindung. Normalerweise erfolgt die Kontrolle der in den Flaschen
verbleibenden Restluftmenge anhand des Flaschendrucks über ein
Manometer. Dieses Instrument ist bei einem handelsüblichen
Preßluftatmer 22 beispielsweise
am linken Tragegurt angebracht. Um es abzulesen, muß man es
aus seiner Halterung lösen
und den Blick nach links richten. Dies bedeutet immer eine Ablenkung
von einigen Sekunden. Der Träger
des Mobilteils 21 kann sich diese Verfahrensweise sparen,
denn er bekommt den aktuellen Druck angesagt. Dies erfolgt durch
einen Ohrhörer
oder einen im Helm eingebauten Kopfhörer vollautomatisch und ohne
den Eingriff des Trägers. Der
Flaschendruck wird vom Mobilteil 21 ständig überwacht und sobald er um einen
bestimmten Wert gefallen ist, erfolgt eine Ansage sowie eine Übertragung
des Datentelegramms an die Basisstation 20. Eine weitere
Zusatzfunktion ist die Möglichkeit,
einfach und unkompliziert einen Notruf abzusetzen, wenn die Benutzung
eines Funksprechgerätes
nicht mehr möglich
ist. Dies erfolgt durch einen am linken Tragegurt befestigten Handgriff,
der im Notfall einfach abgezogen wird. Das Mobilteil 21 sendet
daraufhin einen Notruf ab, der auf der Basistation 20 mit
einem Alarmsignal signalisiert wird und ein sofortiges Eingreifen
eines Rettungstrupps möglich
macht.
-
Die
Komponenten des Systems sollen nachfolgend im einzelnen beschrieben
werden.
-
Mobilteil 21
-
In 3 ist
der Aufbau der Mobilteile 21 an einem Ausführungsbeispiel
als Blockschaltbild dargestellt. Es besteht aus folgenden Komponenten:
Einer zentralen Steuerung 1, hier ein sogenannter Mikrocontroller
mit eingebauter Echtzeituhr, Speicher und Schnittstellen. An diese
zentrale Steuerung 1 sind ein Drucksensor 6, ein
Temperatursensor 7 sowie ein Bewegungssensor 8 als Überwachungssensoren
angeschlossen. Über
eine digitale Sprachausgabe 3 können Ansagetexte als normale
Sprache ausgegeben werden. Über
eine UHF-Sendeeinheit 4 kann das Mobilteil 21 Daten
mit der Basisstation 20 austauschen. Ein Spannungsquelle 19 versorgt
das Mobilteil 21 mit der benötigten Spannung. Da der Drucksensor
eine andere Spannung benötigt,
wird er über
einen Gleichspannungswandler 9 mit der benötigten Gleichspannung
versorgt.
-
Das
Mobilteil 21 wird am Preßluftatmer 22 befestigt
und elektrisch mittels Anschlußkabeln
mit den externen Komponenten (Sensoren, Signalgeber, Akkumulator)
verbunden. Ein M12-Blindverschluß der Schnellfülleinrichtung
des Preßluftatmers
wird durch einen Gewindeadapter mit dem Drucksensor ersetzt. Eine
Anschlußleitung
wird über
den linken Tragegurt bis auf Brusthöhe verlegt und dort mit der Notrufeinrichtung
verbunden, während
eine weitere Leitung zur Hörkapsel/Lautsprecher
führt.
Da bei einem Einsatz mit Preßluftatmern 22 meist
Eile geboten ist, wurde besonderer Wert darauf gelegt, die Bedienung
so einfach wie möglich
zu gestalten. Der Ablauf des ganzen Vorganges ist so weit automatisiert, daß keinerlei
Bedienschritte durch den Träger
nötig sind.
Die Stromversorgung ist so konzipiert, daß die Akkumulatoren im Ruhezustand
immer im vollen Zustand gehalten werden, die Schaltung selbst ist
jedoch nicht aktiv. Wenn das Atemschutzgerät seiner Halterung entnommen
wird, wird die Stromversorgung automatisch getrennt und das Gerät aktiviert. Es
bleibt jetzt aber solange im Ruhezustand, bis die Flaschen aufgedreht
werden. Erkennt die zentrale Steuerung des Mobilteils 21 nun,
daß der
Druck am Sensor auf über
180 bar bei 200 bar-Flaschen bzw. auf über 270 bar bei 300 bar-Flaschen steigt (mindestens
vorgeschriebener Druck, der bei Einsatzbeginn vorhanden sein muß), meldet
es akustisch über den
Lautsprecher die Betriebsbereitschaft der Einheit: „Ihr Gerät ist einsatzbereit." Gleich danach sendet
es ein Datentelegramm an das Basisteil 20, mit dem es sich
als aktiv anmeldet. Es folgt die Ansage des aktuellen Druckes und
eine weitere Übertragung der
nun aktuellen Werte. Jetzt startet auch die Zeitzählung. Von
nun an erfolgt alle 15 Sekunden eine Messung des Flaschendruckes.
Um aber die Ansage nicht unnötig
oft abzuspielen, erfolgt zuerst ein Vergleich mit dem zuletzt gemessenen
Wert. Erst wenn der Druck um 10 bar oder mehr gefallen ist, erfolgt eine
neue Ansage mit nachfolgender Übertragung. Ansonsten
wird der Wert nur im EEPROM (im Mobilteil 21 oder auch
in der Basisstation 20 oder in beiden Systemteilen gleichzeitig
vorhanden) abgelegt, um später
ggf. ausgewertet zu werden (siehe auch Beschreibung der seriellen
Schnittstelle des Mobilteils 21). Die 256 Byte des nicht
flüchtigen
Speichers reichen für
die Aufzeichnung der Werte bis zu einer Einsatzdauer von etwa einer
Stunde. Sollte die Einsatzzeit mal diesen Wert überschreiten, was nicht zu
erwarten ist, so werden die ältesten
Werte gelöscht,
so daß immer
die Werte der letzten Stunde vorliegen (Rollspeicher). Aus Gründen des
Speicherplatzes auf dem Sprach-IC erfolgt eine Ansage nicht auf
den genauen Meßwert
in bar, obwohl die Meßerfassung
des Drucksensors dies gestattet, sondern es wird auf 5er oder 10er
Werte abgerundet. Übertragen wird
natürlich
immer der exakte Meßwert,
gerundet auf das volle Bar. Diese Prozedur wiederholt sich nun alle
15 Sekunden, bis der Flaschendruck unter 60 bar fällt oder
die Notrufeinrichtung ausgelöst
wird. Tritt der erste Fall ein, so erfolgt zusätzlich zu der Restzeit/Druckansage
noch die Sprachwarnung: „Sofortigen
Rückzug
antreten". In der
Regel löst
unterhalb dieser Schwelle aber auch schon die Rückzugswarnung des Preßluftatmers
(eine Pfeife, die im Manometer untergebracht ist) aus, so daß die Warnung
als zusätzliche
Sicherheit verstanden werden kann. Löst der Träger durch Abziehen des Handgriffes
die Notrufeinrichtung aus, so erfolgt zuerst eine akustische Bestätigung „Ihr Notruf
wird abgesetzt".
Es ist nicht mehr möglich,
diesen Vorgang anzuhalten oder rückgängig zu
machen, indem z.B. der Handgriff wieder eingesteckt wird. Daraufhin
sendet die Steuerung des Mobilteils 21 ein doppeltes Datentelegramm
mit dem Notruf an die Basisstation 20 ab und aktiviert
einen akustischen Signalgeber, der das Auffinden des Trägers erleichtert.
Danach wird der Meßzyklus
fortgeführt,
wie zuvor, d.h. in Abständen
von 15 Sekunden wird der Druck geprüft und ggf. angesagt und übertragen.
Eine nochmalige Betätigung
des Notrufgriffes führt
jetzt zu keiner weiteren Aussendung. Eine weitere Sicherheitseinrichtung
ist die sog. „Totmannschaltung", die auf Bewegungslosigkeit
reagiert. Diese kann sowohl zusätzlich
oder auch alleine eingebaut sein. Sollte sich der Träger des
Atemschutzgerätes
eine definierte Zeit lang nicht bewegen, so wird er durch eine Ansage
darauf hingewiesen, daß in
Kürze ein
Alarm ausgelöst
wird. Dies kann er durch eine Bewegung quittieren, in diesem Fall
beginnt die Zeitzählung
von neuem. Erfolgt diese Bestätigung
nicht, so wird der Hauptalarm ausgelöst. Dieser ist der gleiche
wie bei Betätigung
des Notruftasters (Übermittlung
eines Datentelegramms und Auslösung
der akustischen Ortung).
-
Solange
der Flaschendruck über
10 bar liegt, wiederholt sich die Prozedur bis zur Erschöpfung der Stromversorgung.
Im Normalfall wird bei Beendigung des Einsatzes jedoch der Hochdruckteil
des Atemschutzgerätes
entlüftet,
so daß der
Druck merklich unter 10 bar, typisch bei 1 bar, liegt. In diesem
Fall erkennt der Steuerrechner, daß der Einsatz beendet ist und
sendet eine Abmeldenachricht an die Basisstation 20. Er
begibt sich nun wieder in den Ruhezustand und überwacht den anliegenden Druck,
bis dieser wieder die oben angegebenen Werte übersteigt. Dann beginnt der
ganze Zyklus von neuem. Wird das Atemschutzgerät wieder in seiner Fahrzeughalterung abgelegt,
erfolgt eine automatische Abschaltung und Ladung der Akkumulatoren.
-
Die
schwierigste Aufgabe des Mobilteils 21 ist es, die gesammelten
Daten ohne Störungen
an die Basisstation 20 zu übermitteln. Um jedoch Daten über eine
Funkstrecke zu übertragen,
müssen
sie zuerst moduliert werden, denn es ist nicht möglich ein gleichspannungsbehaftetes
NRZ (Non Return to Zero) Signal, wie z.B. einen binären Datenstrom,
ohne weitere Kodierung zu übermitteln.
Der Empfänger muß erstens
den Takt wieder regenerieren und zweitens die Signalpegel (High
und Low) eindeutig unterscheiden können. Es gibt eine Reihe von
Modulationsverfahren, die man bei einer FM-(Frequenzmodulierten) Übertragung
einsetzen kann. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein frequenzverdoppeltes
Bi-Phase-M Format ausgewählt. Hier
erfolgt am Anfang jeder Bitzelle ein gleichphasiger Zustandswechsel,
so daß der
Empfangstakt eindeutig aus dem Signal zurückgewonnen werden kann. Das
Prinzip ist schematisch in 2 dargestellt.
Diese Codierung erfolgt bereits im Controller, es sind keine weiteren
Schaltungsteile beim Sender (Mobilteil) erforderlich.
-
Nachfolgend
wird detailliert beschrieben, wie ein derartiges Mobilteil realisiert
werden kann. Das Mobilteil 21 dient zur Aufnahme und Übermittlung
der Sensordaten sowie zur Sprachausgabe des Druckes, der Restzeit
und der Rückzugswarnung.
Er kann in sechs Funktionsblöcke
aufgeteilt werden: Zentrale Steuerung mit Schnittstelle, Spannungsversorgung, Sensor
für Flaschendruck,
Sensor für
Temperatur, Sprachausgabeeinheit und UHF Sendemodul.
-
1. Zentrale Steuerung mit
Schnittstelle
-
Die
Steuerung der Mobilteile 21 erfolgt durch einen 80C535
Mikrocontroller in Kompaktbauform. Diese Ausführung ist schaltungstechnisch
nahezu identisch mit der größeren Ausführung, die
in der Basisstation 20 eingesetzt wurde. Sie ist sogar
leistungsfähiger
und belegt dabei weniger als die Hälfte der Fläche. Vorteilhaft ist bei dieser
Ausführungsform,
daß das
Entwicklungssystem um den μBASIC-Compiler
für beide
Schaltungen eingesetzt werden kann. Der Controller stellt drei 8-Bit
I/O-Ports sowie acht 12-Bit A/D-Wandler zur Verfügung. Eine eingebaute Echtzeituhr
sorgt für
richtige Zeitangaben, während
ein 256-Byte EEPROM Meßdaten stromausfallsicher
speichert. Nach außen
steht eine Schnittstelle nach RS-232 zur Verfügung, über die gespeicherte Daten
in einen PC oder Laptop zur graphischen Darstellung übertragen
werden können. Der
Steuercomputer des Moduls erkennt dabei automatisch, ob ein Schnittstellenkabel
angeschlossen wurde und schaltet sich dann in den Diagnosemodus. Von
einem PC mit der entsprechenden Software kann nun der gespeicherte
Datenbestand abgerufen und der Speicher zur erneuten Verwendung
gelöscht werden.
Sämtliche
nachfolgenden Schaltungsteile werden von dieser zentralen Steuerung
kontrolliert.
-
2. Spannungsversorgung
-
Die
Schaltung wird aus sechs NiCd Zellen mit einer Gesamtspannung von
7,2 V versorgt. Diese Spannung wird von einem Spannungswandler auf
5 V umgeformt, um dann der zentralen Steuerung als Versorgungsspannung
zu dienen. Gleichzeitig speist sie einen Gleichspannungswandler
vom Typ LT1301, der bei Bedarf eine Spannung von 12 V erzeugt, um den
Luftdrucksensor zu betreiben. Dieser DC/DC-Wandler arbeitet nach
dem Prinzip einer Ladungspumpe, indem er einen Kondensator mittels
einer Spule schrittweise bis zur gewünschten Spannung auflädt. Er erreicht
bei dem benötigten
Ausgangsstrom von 30 mA eine Effizienz von etwa 87%. Der vollständig geladene
Akkumulatorpack reicht für eine
Betriebsdauer von mindestens 10 Stunden aus. Er wird während der
Bereitschaft ständig
auf voller Ladung gehalten. Eine Ladung bei vollständig entleertem
Akkumulator benötigt
etwa eine halbe Stunde.
-
3. Drucksensor
-
Der
Sensor, der den aktuellen Flaschendruck erfaßt, muß Drücke bis mindestens 300 bar aushalten,
da sowohl Preßluftflaschen
mit 200 wie auch mit 300 bar verwendet werden. Es wurde hier ein
schraubbarer Sensor für
Drücke
bis 400 bar benutzt, wobei der Berstdruck bei über 2400 bar liegt. Die Verbindung
mit dem Atemschutzgerät
erfolgt über
die Schnellfülleinrichtung
des PA94+ Preßluftatmers,
die direkt zu den Flaschen führt
(Hochdruckteil). Da hier aber nur ein metrisches Gewinde M12 vorhanden
ist, während
der Drucksensor mit einem 1/4'' BSP Rohrgewinde
ausgestattet ist, muß ein
Adapterstück
vorgesehen werden. Zur Herstellung dieses Adapterstückes wurde
korrosionsbeständiger hochfester
V4A Stahl des Typs X6 CrNiMoTi 17 12 2 (1.4571) verwendet. Der Sensor
arbeitet mit einer Betriebsspannung von 10–30 V, deshalb ist die Spannungswandlung
(s.o.) nötig.
Er liefert eine dem anliegenden Druck proportionale Gleichspannung
im Bereich von 1–6
Volt. Diese wird direkt einem A/D-Wandler des Mikrocontrollers zugeführt und
dort weiter verarbeitet.
-
4. Temperatursensor
-
Die
Umgebungstemperatur wird von einem Sensor des Typs KTY10 erfaßt, der
seinen Widerstand linear zur herrschenden Temperatur ändert. Über einen
Spannungsteiler liegt dieser Sensor ebenfalls direkt an einem A/D-Wandler.
-
5. Sprachausgabe
-
Während des
Einsatzes wird regelmäßig der aktuelle
Druck und die voraussichtlich verbleibende Restzeit angesagt. Ebenso
wird akustisch vor einem zu Neige gehenden Akkumulator gewarnt und
das Absetzen eines Notrufes verbal bestätigt. Alle diese Funktionen
werden von einem IC des Typs ISD 2560 ausgeführt, der 60 Sekunden Sprache
bei 8 kHz Samplingfrequenz (das entspricht ISDN-Telefonqualität) analog
speichern kann. Im Gegensatz zu den sonst üblichen digitalen Speichermethoden,
bei denen die Toninformation vorher digitalisiert und in einem RAM-Speicher
abgelegt werden, nutzt dieser IC eine relativ neue Analog-Speichermethode.
Dabei werden die Momentanwerte direkt analog als Ladung in einer
Speicherzelle abgelegt, ohne den Umweg über einen Wandler zu gehen.
Das bringt gegenüber der
herkömmlichen
Methode mehrere entscheidende Vorteile: die Sprachqualität ist bei
erheblich geringerem Speicherbedarf merklich besser und zum Datenerhalt
wird keine Spannung benötigt.
Die 60 Sekunden des Sprachspeichers lassen sich in 100 ms Intervallen
direkt ansprechen, es ist also ohne weiteres möglich, Sprachmeldungen aus
zusammengesetzten Silben zu generieren. Dies ermöglicht, einzelne Zahlen und
Textbausteine auf den IC aufzusprechen, die dann vom Mikrocontroller
in der benötigten
Reihenfolge abgerufen werden. So lautet eine typische Ansage etwa „Restzeit
25 Minuten. Flaschendruck 180 bar." Eine zu niedrige Akkumulatorspannung wird
mit „Achtung!
Batteriestand niedrig!" gemeldet. Den
einsatzbereiten Zustand meldet das System mit „Ihr Gerät ist Einsatzbereit." und das Absetzen
eines Notrufes wird mit „Ihr
Notruf wird abgesetzt." quittiert. Als
Lautsprecher dient ein kleiner Ohrhörer oder ein im Helm eingebauter
Kopfhörer.
-
6. UHF Sendeeinheit
-
Um
die Daten nun vom Mobilteil 21 zum Basisteil 20 zu übertragen,
ist eine drahtlose Übertragungsmethode
z.B. eine Funkübertragung
zweckmäßig, denn
alle anderen Möglichkeiten
(z.B. drahtgebundene Verbindung) scheiden wegen der fehlenden Sichtverbindung
und der mangelnden Reichweite aus. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wurde bei der Frequenzwahl der sogenannte LPD Bereich im 70 cm Band
gewählt,
in dem auch die im Ausführungsbeispiel
verwendete Frequenz von 433,925 MHz liegt. Für diesen Frequenzbereich gibt es
auf dem Markt zahlreiche Sende- und Empfangsmodule, die eine Allgemeingenehmigung
besitzen und daher nicht vom Betreiber zugelassen werden müssen. Die
Sendeleistung ist auf 10 mW begrenzt, was für die im Ausführungsbeispiel
vorgesehenen Zwecke jedoch ausreichend ist. Für einen professionellen Einsatz
müßte ggf.
das Frequenzband gewechselt und die Sendeleistung deutlich erhöht werden,
damit eine Übertragung
auch aus größeren Gebäuden sichergestellt
ist. Das Sendemodul ist in Miniaturausführung gefertigt und befindet
sich an der Außenseite
des abgeschirmten Mobilteils 21, um HF-Beeinflussungen
der Schaltung zu vermeiden. Der Modulationseingang des Senders ist
direkt mit einem Ausgang des Mikrocontrollers verbunden, der das
Datentelegramm erzeugt. Die Lambda/4 Wurfantenne, die bei dieser
Frequenz eine Länge
von etwa 17 cm hat, ist in einem Kunststoffröhrchen an der Außenseite
verlegt. Um den Stromverbrauch der Schaltung so gering wie möglich zu
halten, wird der Sender nur bei Bedarf aktiviert. In 5 ist
ein beispielhaftes Schaltbild dargestellt, nach dem ein Mobilteil 21 aufzubauen
ist. Der Bewegungssensor 8 ist in diesem Beispiel nicht
eingezeichnet, er läßt sich
allerdings ebenso wie beispielsweise der Drucksensor 6 (im Schaltbild
an JP6) an den Mikrocontroller Mini80C535 anschließen. Im
Schaltbild sind die Sensoren und die Sendeeinheit der Einfachheit
halber nicht enthalten.
-
Basisstation
-
In 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
für eine Basisstation 20 als
Blockschaltbild dargestellt. Eine zentrale Steuerung 1' steuert die
ganze Basisstation 20. Über
eine Tastatur 12 lassen sich vom Bediener Steuerbefehle
eingeben. An einer Flüssigkristallanzeige 15 werden
Meldungen des Systems ausgegeben. Über einen UHF-Empfänger 10 und
einen Decoder 11 empfängt
die zentrale Steuerung 1' Daten
vom Mobilteil 21. Leuchtdioden 14 dienen zur visuellen Anzeige
des Betriebszustandes. Ein Summer 13 dient zur akustischen
Ausgabe von Warnmeldungen.
-
Die
Basisstation 20 sammelt die ankommenden Informationen der
Mobilteile 21 und stellt sie auf einem 4 × 20 Zeichen
LC-Display dar. Um auch bei Dunkelheit oder unzureichender Beleuchtung
die Lesbarkeit der Informationen zu gewährleisten, ist die Anzeige
mit einer Hintergrundbeleuchtung ausgestattet. Diese arbeitet automatisch
und wird je nach Umgebungshelligkeit ein- oder ausgeschaltet. Zusätzlich ist
es möglich,
die Beleuchtung über
einen Tastendruck generell abzuschalten. Zur Steuerung der Basisstation
wird ein 3 × 4
Felder großes
Tastenfeld benutzt, welches aus einer selbstklebenden Folientastatur
besteht. Diese ist spritzwassergeschützt und einfacher zu reinigen,
als gewöhnliche
mechanische Taster. Sieben Leuchtdioden dienen der zusätzlichen
visuellen Anzeige der Betriebszustände. Zum einen sind dies vier
rote Leuchtanzeigen, von denen jede einem der Mobilteile 21 zugeordnet
ist. Sie zeigen einen ausgelösten
Notruf an. Eine weitere rote Leuchtdiode (LED) signalisiert eine
niedrige Batteriespannung in der Basisstation 20. Die beiden
restlichen, grünen
LEDs dienen zur Anzeige der Stärke des
empfangenen UHF-Funksignals
und der gültigen Empfangsdaten.
Auch hier wurde auf eine einfache Bedienung Wert gelegt. Für eine Inbetriebnahme sind
hier ebenfalls keine Bedienschritte erforderlich. Wird die Basisstation 20 der
Ladehalterung z.B. in einem Fahrzeug entnommen, in der seine Akkumulatoren
ständig
auf voller Ladung gehalten werden, aktiviert es sich automatisch
und startet einen Selbsttest, bei dem die Displayanzeige, die Leuchtanzeigen
und der Warnsummer überprüft werden.
Desweiteren erfolgt eine Kontrolle der Akkumulatorspannung unter Last.
Ist dieser Test, der nur einige Sekunden dauert, abgeschlossen,
befindet sich die Basisstation 20 im Bereitschaftszustand
und wartet auf das Datentelegramm eines Mobilteils 21.
Somit ist bereits ein Großteil
der Anwendungsfälle
abgedeckt. Eingehende Daten werden auf ihre Korrektheit geprüft und danach sofort
auf dem Display angezeigt. Jedes der maximal vier Mobilteile 21 verfügt über eine
eigene Anzeigezeile, in der nebeneinander die Mobilteilnummer, der letzte übermittelte
Flaschendruck, die letzte übermittelte
Temperatur, die bisher verstrichene Einsatzzeit, die voraussichtlich
verbleibende Restzeit und der Status angezeigt werden. Mögliche Anzeigen
in der Statusspalte sind „OK" für den Normalzustand, „LOW" für ein Erreichen
des Rückzug-Drucks
(< 60 bar), „SOS" für einen
ausgelösten
Notruf und „BAT" für eine niedrige
Batteriespannung im jeweiligen Mobilteil 21. Dabei besitzt
die Anzeige „SOS" die höchste Priorität und ersetzt
eine vorhandene „BAT" oder „LOW" Anzeige. Ein ankommender
Notruf eines Mobilteils 21 wird akustisch und optisch signalisiert.
Die entsprechende rote Warn-LED blinkt, während der Summer einen alternierenden
Alarmton abstrahlt. Diese Meldung muß vom Benutzer durch gleichzeitiges
Drücken
der beiden „Alarm-aus" Tasten auf der Tastatur
bestätigt
werden. Der Summer verstummt dann, die Warn-LED bleibt jedoch bis
zum Abmelden des Mobilteils eingeschaltet. Unterschreitet der Flaschendruck
den Wert von 60 bar, wird der Status dieses Mobilteils auf „LOW" geändert. Beim
Empfang eines Datentelegramms dieses Mobilteils ertönt zusätzlich ein
kurzer Warnton und die betreffende Zeile blinkt kurz auf.
-
Es
wird im folgenden beschrieben, wie eine derartige Basisstation 20 mechanisch
beispielsweise aufgebaut sein kann.
-
Das
Gerät (Basisstation)
ist in einem T-förmigen
Gehäuse
untergebracht und kann bequem in einer Hand getragen werden. Im
unteren Teil ist die Tastatur untergebracht, während der obere Teil das Display
beherbergt. Aus Gründen
der Störsicherheit ist
der Funkempfänger
in einem separaten Gehäuse auf
der Rückseite
installiert. Die Batterien befinden sich außen auf der Rückseite
des Gerätes
und können
schnell ohne Werkzeug gewechselt werden. Die Schaltungsteile sind
im einzelnen: Zentrale Steuerung mit Schnittstelle, Benutzerinterface
(Display, Tastatur, Leuchtanzeigen, Summer), UHF-Empfänger, Decoderschaltung,
Stromversorgung.
-
Zentrale Steuerung mit Schnittstelle
-
Hier
findet der gleiche Mikrocontroller Anwendung wie in den Mobilteilen 21,
jedoch ist dieser nicht in Miniaturausführung gefertigt. Die Leistungsdaten
des verwendeten 80C535 Mikrocontroller mit 32 kB RAM und 32 kB ROM
sind aber die gleichen. Lediglich eine Echtzeituhr und ein EEPROM
ist hier nicht notwendigerweise eingebaut. Im Gegensatz zu den Mobilteilen 21 muß der Rechner
hier aber bedeutend mehr Steueraufgaben übernehmen, denn neben dem Empfang
und dem Dekodieren der Funkdaten muß auch noch das Display angesteuert
und die Tastatur abgefragt werden.
-
Benutzerinterface
-
Die
Funktion der Schnittstelle für
Benutzereingaben wird von einer 3 × 4 Tasten Folientastatur übernommen.
Von den 12 Tasten werden jedoch nur 7 benutzt, die mit den Funktionen „Auf", „Ab", „Bestätigen", „Abbruch", 2 × „Alarm
aus" und „Licht" belegt sind.
-
Die
Tastatur ist spritzwassergeschützt
und kann leicht gereinigt werden, außerdem kann sie auch mit Handschuhen
bedient werden. Die sieben Kontakte der Tastaturmatrix sind direkt
mit dem Mikrocontroller verbunden und werden kontinuierlich abgefragt.
Die Meldungen des Systems werden auf einem 4 × 20 Zeichen großen, hintergrundbeleuchteten
Flüssigkristall
(LC-)Display ausgeben, welches vom Controller über einen I2C
Bus seine Daten bezieht. Die sieben Leuchtdioden sind Low-Current
Typen und werden somit ebenfalls direkt vom Controller angesteuert.
Akustische Signale gibt ein Piezo-Schallwandler aus, der vom Controller
mit einer Rechteckspannung variabler Frequenz betrieben wird.
-
UHF-Empfänger und Decoderschaltung
-
Erste
Anlaufstelle für
die Datentelegramme ist der UHF-Miniatur Empfänger, der sich in einem Anbaugehäuse auf
der Rückseite
der Basisstation 20 befindet. Der Doppelsuperhet arbeitet
auf einer Empfangsfrequenz von 433,925 MHz und bietet eine Empfindlichkeit
von 0,3 μV
(bei 12 dB SINAD). Bei einem ausreichenden Empfangspegel stellt
der Empfänger
eine Schaltspannung zur Verfügung,
die den nachfolgenden Funktionsgruppen das Anstehen von Daten signalisiert.
Das empfangene NF-Signal gelangt vom Ausgang des Empfängers zu
einer Verstärkerstufe.
Von dort durchläuft
das verstärkte
Signal eine Pulsrückgewinnungsschaltung,
die aus dem ankommenden BiPhase-M Code wieder einen NRZ Code mit
Taktinformation erzeugt. Schließlich
endet die Signalaufbereitung am Mikrocontroller, wo das Daten- und
Taktsignal über
je einen Port eingelesen wird.
-
Stromversorgung
-
Die
Stromversorgung der Basiseinheit erfolgt über acht NiCd Mignon Akkumulatoren,
die auf der Rückseite
des Gerätes
mittels Klettband befestigt sind. Die Spannung von ca. 9,6 V speist
direkt den Summer und den UHF-Empfänger und wird zum Betrieb der
Logikbaugruppen und des Displays auf 5 Volt herab geregelt. Die
Verbindung mit dem Ladegerät
erfolgt durch eine im Gerät
vorhandene Buchse, so daß eine
Entnahme des Akkumulatoren nicht nötig ist. Gleichzeitig ist das
Gerät so
immer betriebsbereit. Ein vollständig
geladener Akkumulator reicht für
eine Betriebsdauer von etwa 5–8
Stunden, abhängig
davon, ob die Beleuchtung aktiv ist, oder nicht. Die Ladezeit beträgt bei vollständig entladenem
Akkumulator etwa eine halbe Stunde.
-
In 6 ist
beispielhaft ein Schaltbild aufgezeigt, nach dem sich eine Basisstation
realisieren läßt.