RU204389U1 - Data collection device for wireless gas sensors - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике, а именно к устройствам для сбора, обработки и передачи данных с беспроводных газовых датчиков. Технический результат заключается в создании нового устройства, расширяющего функциональные возможности путём обеспечения возможности подключения широкого спектра беспроводных газовых датчиков для обеспечения долговременного, полностью автоматического мониторинга газовых сред в труднодоступных местах. Такой результат достигается за счет устройства для сбора, обработки и передачи данных с беспроводных газовых датчиков, состоящего из радиочасти, обеспечивающей возможность связи с беспроводными газовыми датчиками, GSM-модуля, вычислительного блока, контроллера Ethernet физического уровня и системы питания, при этом в качестве стандарта для беспроводного снятия данных с датчиков используется стандарт IEEE 802.15.4, система питания обеспечивает питание всех внутренних узлов предлагаемого устройства, вычислительный блок обеспечивает функционирование всех внутренних узлов и систем, GSM-модуль обеспечивает беспроводную передачу снятых посредством радиочасти данных с датчиков, информации о состоянии устройства, выполняет удалённое управление устройством, контроллер Ethernet физического уровня обеспечивает проводную передачу снятых посредством радиочасти данных с датчиков, информации о состоянии устройства, выполняет удалённое управление устройством. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to information and measurement technology, namely to devices for collecting, processing and transmitting data from wireless gas sensors. The technical result consists in creating a new device that expands the functionality by providing the ability to connect a wide range of wireless gas sensors to ensure long-term, fully automatic monitoring of gas environments in hard-to-reach places. This result is achieved due to a device for collecting, processing and transmitting data from wireless gas sensors, consisting of a radio part that provides the ability to communicate with wireless gas sensors, a GSM module, a computing unit, an Ethernet physical layer controller and a power system, while as a standard for wireless data collection from sensors, the IEEE 802.15.4 standard is used, the power system provides power to all internal nodes of the proposed device, the computing unit ensures the operation of all internal nodes and systems, the GSM module provides wireless transmission of data from sensors, information about the state of the device , performs remote control of the device, the Ethernet controller of the physical layer provides a wired transfer of data from sensors, information about the state of the device, taken by means of a radio part, performs remote control of the device. 2 c.p. f-ly, 1 dwg.

Description

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике, а именно к устройствам для сбора, обработки и передачи данных с беспроводных газовых датчиков. Она может быть применена при ремонте, вводе и выводе из эксплуатации промышленных объектов, для мониторинга различных газов на железных дорогах, в медицинском оборудовании и др. областях.The utility model relates to information and measurement technology, namely to devices for collecting, processing and transmitting data from wireless gas sensors. It can be used in the repair, commissioning and decommissioning of industrial facilities, for monitoring various gases on railways, in medical equipment, and other areas.

Известна система наблюдения за параметрами окружающей среды [US2006180676 А1]. 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.Known monitoring system for environmental parameters [US2006180676 A1]. The system comprises a base station associated with a personal computer and a mobile node associated with the base station over a wireless network. The mobile node includes a sensor of physical parameters of the environment, a controller and a radio transceiver for receiving, processing and transmitting a signal received from the sensor, a video camera and a signal processing board for determining the location of the mobile sensor and transmitting this information along with the measured environmental parameters to the base station.

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.The disadvantage of the known system is the complexity of the design of the mobile node, the impossibility of ensuring self-organization of the system, the need for a large number of pre-created recognizable patterns in the controlled room and the complexity of the method for determining the location of the mobile node using the above images using the video signal of the camera installed in the mobile node, which reduces the reliability of the system and the accuracy of the data received.

Также известен патент РФ на изобретение RU2545491C1. Система содержит блок приема транзакций с датчиков экологического контроля состояния воздуха, блок идентификации датчиков экологического контроля состояния воздуха, первый, второй и третий блоки памяти, блок подсчета количества поступивших транзакций, первый и второй компараторы, первый и второй блоки адресации записей входных транзакций датчиков экологического контроля состояния воздуха. Also known is the patent of the Russian Federation for the invention RU2545491C1. The system contains a unit for receiving transactions from sensors for environmental monitoring of the air condition, a unit for identifying sensors for environmental monitoring of the air condition, the first, second and third memory blocks, a unit for counting the number of incoming transactions, the first and second comparators, the first and second blocks of addressing records of input transactions of environmental monitoring sensors air condition.

Недостатком данного решения является низкая гибкость устройства в плане подключения различных датчиков к устройству. Предполагается подключение только аналоговых датчиков, а также ограничены возможности по анализу и обработке получаемых сигналов. The disadvantage of this solution is the low flexibility of the device in terms of connecting various sensors to the device. It is supposed to connect only analog sensors, and the possibilities for the analysis and processing of the received signals are also limited.

Также известен патент US 20120327831 A1. Он представляет устройство для беспроводного сбора данных с датчиков, состоящее из радио части, GSM-модуля, вычислительного блока, контроллера Ethernet физического уровня, а также системы питания. При этом, беспроводная передача данных с датчиков обеспечивается посредством протоколов стандарта (IEEE) 802.11, данные с датчиков, управление устройством, а также конфигурирование устройства выполняется посредством GSM или Ethernet – соединения.Also known is the patent US 20120327831 A1. It represents a device for wireless data collection from sensors, consisting of a radio part, a GSM module, a computing unit, an Ethernet physical layer controller, and a power system. At the same time, wireless data transmission from sensors is provided by means of the (IEEE) 802.11 standard protocols, data from sensors, device management, and device configuration are performed via GSM or Ethernet connection.

Недостатком данного решения является использование для связи с датчиками высокоскоростного, однако энергозатратного Wi-Fi соединения, что значительно ухудшает как показатели автономности датчиков, так и показатели автономности системы сбора данных с датчиков.The disadvantage of this solution is the use of a high-speed, but energy-consuming Wi-Fi connection for communication with the sensors, which significantly worsens both the indicators of the autonomy of the sensors and the indicators of the autonomy of the data collection system from the sensors.

Ближайшим аналогом предложенной полезной модели является патент РФ на полезную модель RU179296U1, описывающий автономное устройство для сбора и передачи данных содержащее вычислительный блок, соединенный с запоминающим устройством, видеокамерой, цифровым барометром и модемом, и блок управления, соединенный с датчиком контроля заряда, аналоговыми датчиками окружающей среды и GSM-модулем. Причем в качестве вычислительного блока может быть использован программируемый микроконтроллер, в качестве запоминающего устройства - твердотельный полупроводниковый накопитель, в качестве модема - универсальный USB-модем, а в качестве датчиков окружающей среды - датчики давления и/или шума, влажности, скорости ветра, загазованности, дыма, освещенности.The closest analogue of the proposed utility model is the RF patent for utility model RU179296U1, which describes an autonomous device for collecting and transmitting data containing a computing unit connected to a memory device, a video camera, a digital barometer and a modem, and a control unit connected to a charge control sensor, analog ambient sensors. environment and GSM-module. Moreover, a programmable microcontroller can be used as a computing unit, a solid-state semiconductor drive can be used as a memory device, a universal USB modem can be used as a modem, and pressure and / or noise, humidity, wind speed, gas pollution sensors can be used as environmental sensors. smoke, illumination.

Недостатком данного решения является использование внешнего USB-модема, ухудшающего массово-габаритные характеристики и общую надёжность устройства в целом. Кроме того, предполагается использование только датчиков, входящих в состав устройства, а также использование только аналоговых датчиков тоже является недостатком и существенно ограничивает спектр датчиков, которые могут быть подключены к устройству.The disadvantage of this solution is the use of an external USB-modem, which degrades the mass-dimensional characteristics and the overall reliability of the device as a whole. In addition, it is assumed that only the sensors included in the device are used, and the use of only analog sensors is also a disadvantage and significantly limits the range of sensors that can be connected to the device.

Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая модель является отсутствие устройств сбора данных с газовых датчиков, предполагающих возможность подключения широкого спектра внешних аналоговых и цифровых датчиков для выполнения задач долговременного, полностью автоматического мониторинга газовых сред в труднодоступных местах.Thus, the technical problem to be solved by the proposed model is the absence of devices for collecting data from gas sensors, suggesting the ability to connect a wide range of external analog and digital sensors to perform the tasks of long-term, fully automatic monitoring of gas environments in hard-to-reach places.

Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что устройство для сбора, обработки и передачи данных с беспроводных газовых датчиков состоит из радио части, обеспечивающей возможность связи с беспроводными газовыми датчиками, GSM-модуля, вычислительного блока, контроллера Ethernet физического уровня и системы питания. В качестве вычислительного блока может быть использован SoM-модуль. Радио часть может обеспечивать обмен данными на не лицензируемых частотах 433 МГц, 868 МГц, 2400 МГц.The solution to this technical problem is achieved due to the fact that the device for collecting, processing and transmitting data from wireless gas sensors consists of a radio part that provides the ability to communicate with wireless gas sensors, a GSM module, a computing unit, a physical layer Ethernet controller and a power system. A SoM module can be used as a computing unit. The radio part can provide data exchange on unlicensed frequencies 433 MHz, 868 MHz, 2400 MHz.

Технический результат представленной полезной модели заключается в создании нового устройства, расширяющего функциональные возможности путём обеспечения возможности подключения широкого спектра беспроводных газовых датчиков для обеспечения долговременного, полностью автоматического мониторинга газовых сред в труднодоступных местах. The technical result of the presented utility model is to create a new device that expands the functionality by providing the ability to connect a wide range of wireless gas sensors to ensure long-term, fully automatic monitoring of gas environments in hard-to-reach places.

На прилагаемом к описанию чертеже показана структурная блок-схема устройства (фиг. 1).The accompanying drawing shows a structural block diagram of the device (Fig. 1).

На структурной схеме можно выделить следующие функциональные блоки:The following functional blocks can be distinguished on the structural diagram:

1. Система питания. Обеспечивает пиатние всех внутренних узлов предлагаемого устройства.1. Power supply system. Provides pyatnie of all internal nodes of the proposed device.

2. Вычислительный блок (шлюз, состоит из SoM-модуля). Обеспечивает функционирование всех внутренних узлов и систем. Позволяет обрабатывать информацию с датчиков и выполнять с ней необходимые пользователю операции. 2. Computing unit (gateway, consists of SoM-module). Ensures the functioning of all internal units and systems. Allows you to process information from sensors and perform operations with it necessary for the user.

3. 3G модем. Обеспечивает беспроводную передачу данных с датчиков, информации о состоянии устройства, выполнять удалённое управление устройством.3. 3G modem. Provides wireless transmission of data from sensors, information about the state of the device, and remote control of the device.

4. Система радиочасти, построенная на SoC микросхеме. Обеспечивает прием данных с беспроводных датчиков, а также передачу необходимой информации на датчики.4. The system of the radio part, built on the SoC microcircuit. Provides reception of data from wireless sensors, as well as transmission of the necessary information to the sensors.

5. Схема физического уровня Ethernet. Обеспечивает проводную передачу данных с датчиков, информации о состоянии устройства, выполнять удалённое управление устройством.5. Diagram of the Ethernet physical layer. Provides wired data transmission from sensors, information about the state of the device, and perform remote control of the device.

Для организации долговременного полностью автоматического мониторинга необходима система из газовых датчиков, размещаемых в зоне контроля, и шлюза 2 низкопотребляющей локальной беспроводной сети.To organize long-term fully automatic monitoring, a system of gas sensors located in the monitoring zone and gateway 2 of a low-power local wireless network is required.

Общая схема функционирования выглядит следующим образом:The general scheme of operation is as follows:

Беспроводные датчики устанавливаются в радиусе действия радиоинтерфейса устройства. Обработанные данные с датчиков принимаются на устройстве посредством радио части 4. Далее, данные поступают в вычислительный блок 2, где могут быть обработаны и переданы конечному потребителю либо посредством беспроводного соединения через GSM сети с помощью 3G модема 3, либо посредством проводного соединения с помощью схемы физического уровня Ethernet 5. Питание всех составных устройств обеспечивает система питания 1.Wireless sensors are installed within the range of the device's radio interface. The processed data from the sensors are received on the device through the radio part 4. Further, the data is sent to the computing unit 2, where it can be processed and transmitted to the end user either via a wireless connection via a GSM network using a 3G modem 3, or through a wired connection using a physical circuit. level Ethernet 5. Power supply of all composite devices is provided by the power system 1.

Таким образом, при подаче питания, система питания 1 выполняет преобразование входного напряжения в соответствующие питающие напряжения остальных блоков. При подаче питания на все блоки, вычислительный блок 2, начинает сбор данных с беспроводных датчиков и записывает полученную информацию на внутреннем накопительном устройстве. При наличии возможности подключения проводной сети, она подключается к схеме физического уровня Ethernet 5, при отсутствии такой возможности, подключение осуществляется при помощи беспроводного 3G модема 3. При этом возможен сценарий, при котором разные группы пользователей могут получать данные посредством обоих каналов – и проводного и беспроводного.Thus, when power is applied, the power supply system 1 converts the input voltage into the corresponding supply voltages of the remaining units. When power is applied to all units, computing unit 2 starts collecting data from wireless sensors and records the information received on the internal storage device. If there is a possibility of connecting a wired network, it is connected to the Ethernet 5 physical layer scheme; in the absence of such a possibility, the connection is carried out using a wireless 3G modem 3. In this case, a scenario is possible in which different groups of users can receive data through both channels - both wired and wireless.

Примером реализации может служить следующий вариант:An example of implementation is the following option:

Ключевой характеристикой беспроводной сети является используемая частота. Для реализации системы выбрана частота 868 МГц, так как она обеспечивает более высокую пропускную способность, чем 433 МГц.A key characteristic of a wireless network is the frequency it uses. For the implementation of the system, a frequency of 868 MHz was chosen, since it provides a higher bandwidth than 433 MHz.

Шлюз представляет собой устройство, осуществляющее передачу данных из сети LRWPAN в облачную информационную систему и обратно. Также он служит для управления сетью: обработка подключения и удаления устройств и их конфигурирование. Данное устройство имеет высокую вычислительную нагрузку, и поэтому для его создания используется одноплатный вычислительный модуль под управлением операционной системы Linux в промышленном исполнении. A gateway is a device that transfers data from the LRWPAN network to the cloud information system and vice versa. It also serves for network management: handling the connection and removal of devices and their configuration. This device has a high computational load, and therefore a single-board computing module under the Linux operating system in industrial design is used to create it.

В состав шлюза в качестве радиоинтерфейса входит микросхема CC1310, используемая в качестве контроллера сети LRWPAN. Шлюз работает под управлением процессорного модуля AM3352. В качестве операционной системы используется Debian Linux. Передача данных в информационную систему выполняется либо посредством LAN (по Ethernet-сети), либо через сотовую сеть WWAN (3G). Также к шлюзу есть возможность подключения газовых датчиков по проводным интерфейсам. Шлюз имеет внешний источник питания: либо питание по PoE (Power over Ethernet), либо внешний вторичный блок питания AC/DC.The gateway includes the CC1310 chip as a radio interface, which is used as the LRWPAN network controller. The gateway operates under the control of the AM3352 processor module. Debian Linux is used as an operating system. Data transfer to the information system is performed either via LAN (via Ethernet) or via WWAN (3G) cellular network. It is also possible to connect gas sensors to the gateway via wired interfaces. The gateway has an external power supply: either PoE (Power over Ethernet) or an external secondary AC / DC power supply.

Для реализации системы датчиков с низким потреблением при постоянной периодической передаче данных с низкой интенсивностью используются специализированные стандарты беспроводной связи – Long Range Wireless Personal Area Networks (LRWPAN), которые обеспечивают большую дальность передачи и высокую энергоэффективность (отношение переданного объема полезных данных к затраченной энергии). Основным промышленным стандартом в этой области является IEEE 802.15.4, описывающий физический и канальный слои для беспроводных сетей с низким энергопотреблением.To implement a system of sensors with low consumption with constant periodic data transmission with low intensity, specialized wireless communication standards are used - Long Range Wireless Personal Area Networks (LRWPAN), which provide a long transmission range and high energy efficiency (the ratio of the transmitted amount of useful data to the consumed energy). The main industry standard in this area is IEEE 802.15.4, which describes the physical and link layers for low power wireless networks.

Для управления периферийными интерфейсами использована система на модуле Olimex AM3352-SOM. Данная система обеспечивает прием данных с внешних датчиков по интерфейсам I2C и UART, и по радио каналу при помощи микросхемы CC1310. После приема и обработки данных система может выдать собранную информацию на сервер по интерфейсу Ethernet или при помощи 3G модема.To control the peripheral interfaces, a system based on the Olimex AM3352-SOM module was used. This system provides data reception from external sensors via I2C and UART interfaces, and via a radio channel using the CC1310 microcircuit. After receiving and processing the data, the system can send the collected information to the server via the Ethernet interface or using a 3G modem.

Программное обеспечение и образ операционной системы хранятся на SD карте, установленной в модуль AM3352-SOM.The software and operating system image are stored on an SD card installed in the AM3352-SOM module.

Подключение датчиков к шлюзу по проводному интерфейсу I2C возможно через внешний 4х-контактный разъем AUX-I2C или по проводному интерфейсу UART через внешний 4х-контактный разъем AUX-UART.Connecting sensors to the gateway via a wired I2C interface is possible through an external 4-pin AUX-I2C connector or via a wired UART interface through an external 4-pin AUX-UART connector.

Для сбора данных с беспроводных датчиков по радио каналу используется микросхема CC1310. Данная микросхема может работать как с установленным усилителем радиосигнала CC1190, так и без него. Микросхема CC1310 обеспечивает прием данных по радио каналу и выдачу данных в модуль AM3352 по интерфейсу UART.To collect data from wireless sensors via a radio channel, the CC1310 microcircuit is used. This microcircuit can work both with the installed CC1190 radio signal amplifier, and without it. Microcircuit CC1310 provides data reception via radio channel and data output to AM3352 module via UART interface.

При отсутствии возможности подключения LAN к шлюзу обработанные данные на сервер возможно отправлять по 3G модему Huawei. Обмен данными модема с модулем AM3352 происходит по интерфейсу USB.If there is no LAN connection to the gateway, the processed data can be sent to the server via the Huawei 3G modem. The data exchange of the modem with the AM3352 module is carried out via the USB interface.

Выходные разъемы для внешних датчиков (CONN4 I2C, CONN4 UART) и разъем для микро-SIM карты имеют защиту от электростатических разрядов (ESD) с помощью микросхем TVS Diode Array WE-TVS (82400152) и ESDA6V1BC6 соответственно.Output connectors for external sensors (CONN4 I2C, CONN4 UART) and micro-SIM card slot are ESD protected with TVS Diode Array WE-TVS (82400152) and ESDA6V1BC6 chips, respectively.

Шлюз представляет собой одноплатный вычислительный модуль, включающий процессор, оперативную память, энергонезависимую память, порты ввода-вывода, с установленным ОС Linux и драйверами для необходимых интерфейсов. В составе шлюза также есть сопроцессор - отдельный микроконтроллер, имеющий беспроводной интерфейс с датчиками.The gateway is a single-board computing module that includes a processor, RAM, non-volatile memory, I / O ports, with the installed Linux OS and drivers for the required interfaces. The gateway also includes a coprocessor - a separate microcontroller that has a wireless interface with sensors.

На шлюзе запущен специальный процесс, отвечающий за связь с сопроцессором по интерфейсу UART, он отслеживает входящие сообщения с датчиков и при необходимости может передавать команды датчикам. Сообщения с датчиков шлюза принимает в виде бинарных пакетов. От типа пакета зависят дальнейшие предпринимаемые действия. Это могут быть либо пакеты с данными, либо служебные пакеты для синхронизации и подключения других устройств.A special process is launched on the gateway, which is responsible for communication with the coprocessor via the UART interface, it monitors incoming messages from sensors and, if necessary, can transmit commands to sensors. Receives messages from gateway sensors in the form of binary packets. The next action to be taken depends on the type of package. These can be either data packets or service packs for synchronization and connection of other devices.

Пакеты с данными шлюз может анализировать сразу, например, вычислять среднее из нескольких значений. Это позволяет сократить сетевой трафик. Также шлюз может передавать их напрямую на удалённый сервер (mqtt-брокер). Данные передаются на сервер в виде бинарных пакетов, а служебная информация в виде JSON-структур.The gateway can analyze data packets at once, for example, calculate the average of several values. This helps to reduce network traffic. Also, the gateway can transfer them directly to a remote server (mqtt broker). The data is transmitted to the server in the form of binary packages, and the service information in the form of JSON structures.

Claims (3)

1. Устройство для сбора, обработки и передачи данных с беспроводных газовых датчиков, состоящее из радиочасти, обеспечивающей возможность связи с беспроводными газовыми датчиками, GSM-модуля, вычислительного блока, контроллера Ethernet физического уровня и системы питания, при этом в качестве стандарта для беспроводного снятия данных с датчиков используется стандарт IEEE 802.15.4, система питания обеспечивает питание всех внутренних узлов предлагаемого устройства, вычислительный блок обеспечивает функционирование всех внутренних узлов и систем, GSM-модуль обеспечивает беспроводную передачу снятых посредством радиочасти данных с датчиков, информации о состоянии устройства, выполняет удалённое управление устройством, контроллер Ethernet физического уровня обеспечивает проводную передачу снятых посредством радиочасти данных с датчиков, информации о состоянии устройства, выполняет удалённое управление устройством.1. A device for collecting, processing and transmitting data from wireless gas sensors, consisting of a radio part that provides the ability to communicate with wireless gas sensors, a GSM module, a computing unit, an Ethernet physical layer controller and a power system, while as a standard for wireless recording data from the sensors, the IEEE 802.15.4 standard is used, the power system provides power to all internal nodes of the proposed device, the computing unit ensures the functioning of all internal nodes and systems, the GSM module provides wireless transmission of the data taken by the radio part from the sensors, information about the state of the device, performs remote device management, the Ethernet physical layer controller provides wired transmission of data taken by means of a radio part from sensors, information about the state of the device, and performs remote control of the device. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве вычислительного блока использован SoM-модуль.2. The device according to claim 1, characterized in that a SoM-module is used as a computing unit. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что радиочасть обеспечивает обмен данными на нелицензируемых частотах 433 МГц, 868 МГц, 2400 МГц.3. The device according to claim 1, characterized in that the radio part provides data exchange at unlicensed frequencies 433 MHz, 868 MHz, 2400 MHz.

Images