Аппаратный комплекс телеметрии с высокой степенью автономности для сбора и передачи потоковых и телеметрических данных посредством самоорганизующихся беспроводных сетей, включающих спутниковый сегмент - RU2788302C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области промышленной автоматизации и может быть использовано для автоматизации промышленных, производственных, удаленных и распределенных объектов, а именно для сбора на объектах данных с датчиков и приборов контроля, управления приборами автоматики и исполнительными механизмами. Принцип работы изобретения относится к областям вычислительной техники, а именно к способам сбора и обработки, и передачи данных. Изобретение может быть использовано в морском, наземном и воздушном транспорте, а также таких отраслях как судостроительная, автомобильная, авиастроительная, машиностроительная, нефтегазовая, горнодобывающая, общепромышленная и производственная, в образовательной и научной сферах.

Области применения аналогов подобных телеметрических систем: автомобильная, промышленная, судостроительная, авиационная, нефтегазовая, учебная, научная.

Из уровня техники известны телеметрические системы, позволяющие осуществлять охрану транспорта всех видов: воздушных, наземных, подземных, надводных, подводных; обеспечивают его дистанционное управление, облегчают управление, позволяют выполнять контроль состояния транспорта. В космической отрасли известны телеметрические системы, которые обеспечивают сбор информации и управление космическими аппаратами. В промышленности известны телеметрические системы, с помощью которых осуществляется контроль промышленных установок, проводится анализ их состояния.

Известны системы телеметрии, используемые в автомобильной технике.

В работе [1], посвященной системе автомобильной телеметрии, приведена разработка, направленная на уменьшение заторов на дорогах и повышение комфортности использования автомобиля. Назначение предложенной в патенте телеметрической системы состоит в обеспечении визуальной информации водителю транспортного средства о ситуациях на дорогах в интересующем его направлении. Для этого автомобиль должен быть оснащен бортовым компьютером, системой навигации, мультимедийными системами (динамики, LCD/TFT-экран), камерами, микрофоном. Во время движения водитель или пассажир направляет Wi-Fi антенну в интересующем его направлении (например, по направлению движения) и получает сигнал с камер других автомобилей, оснащенных данной разработкой. Это позволяет немедленно получить информацию о текущем состоянии на дорогах в интересующем водителя направлении. Также разработка позволяет осуществлять коммуникацию между водителями.

Недостатком системы является необходимость нахождения в транспортном потоке других машин, оснащенных данной разработкой - в случае их отсутствия система не может функционировать. Данный недостаток можно исправить, путем увеличения количества пользователей разработки или подключением к камерам, установленных вдоль дорог. Систему следует усовершенствовать, обеспечив получение и передачу аудио и видео информации, координат и других телеметрических данных с помощью, например, приложения на смартфоне, подключенного к бортовому компьютеру автомобиля. Данные между пользователями также следует передавать не через Wi-Fi, а через технологии мобильного интернета. Это также исправит другой недостаток: необходимость водителю или пассажиру вручную менять направление Wi-Fi антенны. Указанные исправления значительно облегчат процесс установки разработки, что может привести к активному росту числа пользователей разработки.

Другой существенный недостаток систем видеотелеметрии по сравнению с системами многоцелевой телеметрии данных - необходимость передачи через сети с ограниченной шириной канала большого количества данных видеопотока, что может привести к перегрузке сети, а также требует увеличения вычислительного ресурса и большой сложности алгоритмов обработки при увеличении числа пользователей.

Изобретение [2] направлено на осуществление контроля технического состояния и функционирования транспортных средств. Состоит из телеметрической системы, содержащей синтезатор питания, модуль навигации, модуль связи, центральный микропроцессорный модуль, аналого-цифровой преобразователь. Информационные входы/выходы АЦП соединены с установленными на транспортном средстве датчиками: датчиком давления масла, импульсными датчиками оборотов и расхода топлива, термометрами, термопарами. Телеметрическая система данного устройства служит для выполнения нескольких задач:

- с помощью аналоговых и цифровых датчиков система собирает данные о работе двигателя и транспортного средства в целом. Также регистрируются данных спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС;

- информация предыдущего пункта собирается за весь период работы и передается на сервер. Это нужно для анализа текущего состояния транспортного средства и просмотра истории его эксплуатации за весь период работы.

Данная телеметрическая система может быть использована на разных видах транспорта (наземных, подземных, воздушных, надводных, подводных). Внедрение данной телеметрической системы может значительно облегчить процесс эксплуатации транспортного средства, путем автоматизации контроля его технического состояния. Пользователи системы могут проверять работу системы удаленно с помощью персональных устройств (компьютеры, смартфоны). Недостатком телеметрической системы является сложность при расширении состава датчиков. Другим недостатком указанной системы является узкая специализация комплекса.

Набор блоков датчиков телеметрической системы в [3] позволяет осуществлять простое управление транспортом, контроль состояния и охрану. Данные, получаемые с телеметрической системы устройства, обрабатываются в интеллектуальном модуле, с помощью блока управления осуществляется контроль исполнительных механизмов. Недостатком устройства является ограниченное количество подключаемых систем отслеживаемого транспорта.

Телеметрические системы могут осуществлять контроль состояния водителя. Описание устройства, осуществляющего контроль бодрствования водителя приведено в [4]. Датчики крепятся на запястье и на палец водителя, сигнал с датчиков поступает на АЦП. С АЦП сигнал поступает на блок обработки сигналов через антенный передатчик. Разработка позволяет повысить надежность устройства за счет резервирования телеметрических датчиков. Недостатком является ограниченное количество регистрируемых состояний и узкая специализация телеметрического комплекса, ограниченный выбор интерфейсов концевых устройств.

Изобретение [5] является более функциональным аналогом предыдущей разработки. Пара электродов снимает показания электродермальной активности и отвечает за контроль работоспособности водителя транспортного средства. Дополнительная пара регистрирует предвестников гипогликемии по критическому падению электрического сопротивления кожного покрова. Повышение точности системы осуществляется с помощью звукового сигнала, в ответ на который водитель должен нажать кнопку на устройстве. Таким образом проверяется состояние водителя по его ответной реакции. Если после сигнал водитель не нажимает кнопку, устройством формируются управляющие воздействия, предусмотренные в случае засыпания. К недостатку системы можно отнести то, что при сложных маневрах на трассе водителю может быть неудобно и потенциально опасно отвлекаться на нажатие кнопки, проверяющей работоспособность водителя. Система также является узкоспециализированной и неперестраиваемой для работы с произвольными устройствами и датчиками.

Аналогом в части использования радиоканала и комбинации интерфейсов для сбора данных с концевых устройств автоматизации (датчиков, управляемых исполнительных устройств) является устройство сбора данных цифровое, изложенное в патенте [6], представленное одним многофункциональным модулем сбора данных с радиочастотным модулем передачи. Недостатком изложенного устройства является наличие всего одного модуля, позволяющего собирать данные с датчиков и управлять концевыми устройствами автоматизации только по протоколам RS-232, RS-485, CAN, а также ограниченный выбор каналов радиосвязи, представленный только УКВ-диапазоном 433 МГц, что исключает возможность использования глобальных и сотовых сетей для связи между объектами автоматизации. Также в устройства отсутствуют ГНСС-модули геопозиционирования, не предусмотрены терминалы для настройки параметров сети и сервер для хранения данных, отсутствует возможность конфигурации структуры сети и параметров устройства сбора.

Известно, что в системах спутниковой телеметрии с помощью TTαC транспондеров от спутников на наземную станцию отправляются телеметрические (количество оставшегося топлива ракет движения спутников, позволяющее оценить время полезной жизни спутника; критическое напряжение и величина тока, позволяющие оценить работоспособность схем спутника) и следящие данные. Проблема заключается в том, что из-за отсутствия достаточного количества ответчиков TTαC невозможно осуществлять пересылки указанных данных между спутниками (что позволило бы увеличить обслуживаемую спутниками площадь без необходимости внедрения дополнительного оборудования - ретрансляторов, усилителей сигнала). Недостатком спутниковых систем является их дороговизна, узкая специализация на телеметрии спутниковых аппаратов и вытекающая из космического назначения узкоспециализированная архитектура сети. В работе [7] создана система, позволяющая использовать абонентские каналы связи (канал речь/данные) для передачи данных TTαC, что также позволит получить выгоду из-за отсутствия необходимости устанавливать TTαC ответчик на спутнике. Недостаток, в дополнение к приведенным ранее недостаткам спутниковых телеметрических систем, заключается в необходимости установки достаточного числа передатчиков для поддержания абонентской связи, что требует значительных экономических расходов.

Для передачи командных данных отдельным потребителям спутниковых навигационных систем используется подход, который заключается в использовании радиополя, создаваемого системой позиционирования и ретрансляционных возможностей, не только для трансляции навигационной информации, но и для обмена командно-программной информации между наземным пунктом и потребителями системы. [8]. Недостаток системы заключается в необходимости установки дорогостоящих дополнительных модулей, осуществляющих прием и ретрансляцию сигналов, узкой специализации таковой системы и вытекающего отсюда отсутствия гибкости конфигурации и отсутствия у описанной системы возможности подключения широкого класса концевых устройств автоматизации в случае потребности наземных исполнений.

В работе [9] описано устройство промышленной телеметрии для нужд протекторной защиты подземного оборудования. Блок телеметрии соединен с измерительным электродом и защищаемым объектом. С помощью измерительного электрода телеметрический блок получает информацию о значениях поляризационного потенциала защищаемого оборудования. Блок питания выполнен в виде теплопроводной трубки термоэлектрического преобразователя Пельтье, выходы блока питания соединены с блоком телеметрии и блоком связи. Теплопроводная трубка установлена особым образом: верхний конец должен быть размещен выше поверхности земли, нижний конец - ниже поверхности земли. Эффект Пельтье состоит в следующем: при градиенте температуры на соединении металлов, сплавов или проводников вырабатывается электрический ток. Таким образом, при разности температуры в теплопроводной трубке формируется электрический ток, снабжающий блок питания, заряжающий дополнительные источники питания (дополнительный набор аккумуляторов питания), которые питает устройство во время, когда перепад температуры не достаточен для выработки тока с помощью эффекта Пельтье. Телеметрические данные с помощью блока связи передаются на устройство контроля параметров с помощью GSM каналов.

Внедрение данного устройства позволяет обеспечить электрохимическую защиты подземных трубопроводов, оборудования и металлических конструкций зданий, сооружений. Явным достоинством устройства является выигрыш в электропитании конкурирующих устройств, что позволяет использовать разработку в отдаленных, труднодоступных районах. Недостатком устройства является ограниченные возможности в подключении энергозатратных объектов, что также накладывает ограничение на количество подключаемых датчиков.

Модуль телеметрии ТТ3 [10] содержит набор датчиков: датчик температуры, датчик уровня CO2 и CO в окружающем воздухе, датчик гамма-излучения, датчик удара, датчик наводнения. Датчики соединены по стандарту RS232, который соединен с входом-выходом блока обработки. В качестве которого используется микроконтроллер pic18f2520. В качестве индикатора используется жидкокристаллический индикатор. Разработка подразумевает возможность расширения функционала устройство путем увеличения количества датчиков и измеряемых ими величин. Датчики могут располагаться на значительном удалении друг от друга, могут находится в одном корпусе. Недостатком является ограничения вычислительных мощностей используемого микроконтроллера, отсутствие адекватной системы визуализации данных, отсутствии сервера обработки данных в структуре сети.

Аналогом в части геопозиционирования и создания распределенной сети является изобретение [11]. Изобретение позволяет осуществлять точную навигацию подвижных объектов с помощью спутников глобальных навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO). Система позволяет собирать телеметрические данные с установленных на объектах датчиков. Недостатком системы является обязательная необходимость установки ретрансляторов, длительное время настройки, ограниченность каналов связи. Также недостатком является узкое направление разработки из-за ограниченных методов обработки телеметрических данных, узкая специализация системы на сфере морского транспорта.

Наиболее близким аналогом является телеметрическая система, описанная в [12], осуществляющая навигацию, регистрацию, мониторинг, охрану и контроль стационарных и мобильных объектов. В системе используется навигационная спутниковой системы для мобильных объектов. С помощью диспетчерского пункта с персональным компьютером осуществляется контроль объектов. На объекте установлено устройство для передачи информации по беспроводным каналам. Модули GSM/GPRS используются для оповещения о несанкционированном вскрытии подвижного объекта. Объект оснащен модулем опроса датчиков, модуль беспроводной связи с носимым устройством контроля и оповещения, модуль связи с сервером, датчик отрыва, автономный источник питания.

Недостаток системы заключается в ограниченности интерфейсов автоматизируемых концевых устройств системы, малом количестве регистрируемых событий, диспетчерский пункт системы маломобилен, структура сети сложноконфигурируема и требует специальных устройств контроля, слежения и оповещения.

Техническая проблема, решаемая созданием изобретения комплекса, заключается в отсутствии гибкости и компактности существующих комплексов телеметрии, отсутствии распределенных беспроводных комплексов телеметрии с независимостью от специализации телеметрируемых объектов, не универсальность и узкая специализация существующих комплексов телеметрии в части сферы применения и автоматизируемых конечных устройств, не универсальность и узкая специализация существующих комплексов в части протоколов связи и проводных и беспроводных интерфейсов подключений конечных устройств, невозможности широкой настройки пользователем архитектуры сетецентрического комплекса телеметрии и его параметров, определяющих режимы сбора, обработки и хранения данных.

Технический результат, обеспечиваемый комплексом, заключается в комбинированном обеспечении высокой точности получаемых данных, возможности гибкой конфигурации, легкой перенастройки структуры сети и изменении маршрутизации сбора и передачи данных без необходимости монтажа новой сигнальной проводки, широкого выбора протоколов для сбора данных и управления концевыми автоматизируемыми устройствами, возможности конфигурации и перенастройки сети с удаленного абонентского терминала.

Дополнительными техническими результатами являются:

-повышение автономности и распределенности телеметрической сети широкого назначения;

- создание возможности дублирования каналов радиосвязи на всех уровнях сетевой инфраструктуры выше уровня локального сбора данных;

-обеспечение возможности гибкой конфигурации структуры распределенной телеметрической сети с возможностью реализации веерных, последовательных и древовидных схем построения сетей связи с установлением четкой иерархией устройств и АКУ в схеме, возможностью задания уровней доступа на отдельные устройства комплекса и возможностью изменить структуру сети, изменить иерархию устройств и уровни доступа;

- обеспечение возможности гибкой настройки отдельных комплексов распределенной телеметрической сети

- обеспечение возможности подключения широкого класса автоматизированных концевых устройств (АКУ): датчиков, исполнительных устройств по BT-связи, и как минимум по одному из перечисленных проводных протоколов: RS485, RS-232, CAN, UART, 1Wire, аналоговый сигнал +-10В.

- обеспечение возможности передачи сигнала как минимум по одному беспроводному каналу связи между устройствами комплекса из числа реализованных на них стандартов беспроводной связи, включая локальные и глобальные сети передачи данных

Указанные технические результаты достигаются в аппаратном комплексе телеметрии, содержащая четырехуровневую архитектуру сбора, передачи и обработки данных, включающую: первый уровень локального сбора данных посредством, по меньшей мере пяти модемов, соединенных с автоматизированными конечными устройствами, с последующей их предобработкой, по неповторяющимся интерфейсам; второй уровень локального обмена и ретрансляции данных осуществляемый между модемами и по меньшей мере одним абонентским устройством (АУ), содержащим комплекс антенн для осуществления беспроводной связи, где АУ выполнен с возможностью предобработки и ретрансляции обработанных или исходных данных на по меньшей мере один, концентратор, содержащий комплекс антенн для осуществления беспроводной связи и входящий в состав третьего уровня локального обмена и ретрансляции данных в локальные сегменты телеметрической сети и/или глобальные сети, где по меньшей мере один концентратор выполнен с возможностью осуществлять предобработку данных, записывать данные для хранения или удаления их, отправки данных на, по меньшей мере один, абонентский терминал (АТ) для их визуализации, осуществлять логирование событий а также отправки полученных данных на по меньшей мере один сервер, входящий в состав четвертого уровня глобального обмена данными и глобального геопозиционирования, при этом абонентский терминал выполнен с возможностью управления, настройки и переконфигурации структуры и маршрутизации сбора и передачи данных, внутри архитектуры аппаратного комплекса.

Модемы соединены с АКУ при помощи беспроводной связи Bluetooth 5 LowEnergy, либо проводной связи по протоколу: RS485, RS-232, CAN, UART, 1Wire.

Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где на фиг. 1 - общая архитектура аппаратного комплекса телеметрии;

фиг. 2 - архитектурная схема примера конкретной реализации комплекса. 1 вариант.

Фиг. 3 - вид комплекса после переконфигурации добавлением датчиков и исполнительных устройств на площадке 2 - вариант 2.

Фиг. 4 - Вид комплекса после переконфигурации с переносом в пространстве головного пункта управления на удаление от площадок 1 и 2 с увеличением дальности беспроводной сети и дублированием каналов- вариант 3.

В данном случае промышленной телеметрической системы для управления оборудованием и проведения телеметрии с использованием стандартного КИПиА, использующего указанные в настоящем изобретении протоколы связи, либо лабораторной системы телеметрии и управления экспериментом, использующей как стандартное КИПиА, связь с которым может быть осуществлена по указанным протоколам, так и нестандартное оборудование, данные с которого могут быть получены при помощи аналоговых интерфейсов, таких как АЦП.

Поставленные задачи решаются, а требуемый технический результат достигается при использовании комплекса телеметрии, общая перестраиваемая и конфигурируемая архитектурная схема которого показана на фиг. 1, включающего в себя следующие устройства:

- модемы (М.), реализованные в виде автономных устройств с высокопроизводительным процессором с ARM-архитектурой ARM Cortex-M4, к которым проводным или беспроводным способом подключаются измерительные головки датчиков, как аналоговых, так и цифровых, например датчики применяемые для исследования геологического массива (датчик скорости потока, сервопривод, датчик измерения уровня жидкости, датчик положения, датчик позиционирования, датчик давления) при этом аппаратная часть модема позволяет осуществлять подключение и сбор данных датчиков по беспроводному протоколу Bluetooth 5.0 LowEnergy (BT) - до 128 подключаемых устройств на один модем, либо по проводным протоколам (как минимум одному из перечисленных), как цифровым RS485, RS-232, CAN, UART, 1Wire, так и аналоговым протоколам (как минимум одному из перечисленных) через АЦП, либо с гальванической развязкой входного сигнала через входные оптопары, для чего имеют платы с исполнениями для реализации пяти типов модемов согласно пяти цифровым протоколам для подключения датчиков, устройств с обратной связью, исполнительных устройств. При этом каждый датчик соединен с соответствующим модемом через определенный интерфейс. А передача собранных данных с модема на другие устройства комплекса осуществляется посредством Bluetooth (ВТ) что реализовано в виде соответствующих модулей связи;

- абонентские устройства (АУ), реализованные в виде автономных устройств с высокопроизводительным процессором с ARM-архитектурой ARM Cortex M7, к которым беспроводным способом посредством BT/Wi-Fi подключаются модемы (до 128 шт.), образуя нижний уровень распределенной сети, при этом АУ находится на расстоянии устойчивой связи с модемами, которое определяется стандартами BT/Wi-Fi сетей, а связь с вышестоящими элементами распределенной сети комплекса (Концентратором), осуществляется посредством либо BT/Wi-Fi соединения, либо посредством связи стандарта GSM/3G/4G, либо стандарта xBee DigiMesh. Абонентские устройства осуществляют маршрутизацию и контроль доступа в двух нижних уровнях распределенной сети, определяя параметры связи и архитектуру сети ниже своего уровня, при этом количество модемов, подключаемых к одному абонентскому устройству и количество датчиков, подключаемых к каждому из задействованных в элементе сети модему, в пределах ограничений на количество подключений являются настраиваемыми пользователем параметрами, задаваемыми в едином программном обеспечении сетецентрического комплекса телеметрии без необходимости перепрошивки процессора;

- концентратор (К.), реализованный в виде автономного устройства на высокопроизводительных процессорах с ARM-архитектурой, к которому беспроводным способом посредством BT и/или Wi-Fi и/или xBee DigiMesh и/или GSM/3G/4G или проводным способом посредством IP-сетей подключаются Абонентские устройства (до 256 шт.), образуя средний уровень распределенной сети, при этом, в случае беспроводного соединения, концентраторы расположены на расстоянии устойчивой связи с абонентскими устройствами, которое определяется стандартами BT и/или Wi-Fi и/или GSM/3G/4G сетей, связь с вышестоящими элементами распределенной сети комплекса (Сервером), осуществляется посредством либо Ethernet over Wi-Fi и/или GSM/3G/4G соединения, либо посредством спутниковой связи Iridium, либо посредством проводного IP-соединения, а выбор типа связи с нижестоящими и вышестоящими элементами сети осуществляется пользователем исходя из сути решаемых задач и экономической целесообразности использования сотовых и спутниковых услуг связи. Концентраторы осуществляют маршрутизацию и контроль доступа в среднем уровне распределенной сети, определяя параметры связи и архитектуру сети ниже своего уровня, при этом количество абонентских устройств, подключаемых к одному концентратору, количество модемов и датчиков, подключаемых к каждому из нижестоящих элементов сети, а также типы связи в различных элементах сети являются настраиваемыми пользователем параметрами, задаваемыми в едином программном обеспечении сетецентрического комплекса телеметрии без необходимости перепрошивки процессора;

- сервер данных, реализованный в виде стандартных серверных решений, с доступом к глобальным IP-сетям, оснащенный либо модулями связи Bluetooth/Wi-Fi/LTE, и/или спутниковым модулем связи, либо без этих модулей, и предназначенный для сбора данных с концентраторов и передачи в обратном направлении управляющих сигналов на исполнительные устройства, параметров настройки элементов сети всего комплекса и его отдельных частей. Маршрутизация данных между сервером и концентраторами является настраиваемым пользователем параметром, задаваемым в едином программном обеспечении комплекса, а также определяемым структурой сети, в которой находится сервер. Количество концентраторов, подключаемых к одному серверу, ограничено пропускной способностью сетей и вычислительным ресурсом самого сервера;

- абонентский терминал (АТ), в виде переносного компьютера или планшета, имеющего модуль связи WiFi или возможность установления Ethernet over WiFi связи с окружающими WiFi устройствами с использованием роутеров, посредством которого осуществляется доступ на АУ., К. и С. для их мониторинга, настройки и для управления всем распределенным комплексом посредством единого программного обеспечения комплекса, при этом связь между АТ. и любым из перечисленных элементов комплекса осуществляется при помощи любого из реализованных на элементе комплекса протоколов связи, связь АТ. с глобальными IP-сетями реализуется через промежуточные Wi-Fi роутеры и/или проводные устройства, а связь со спутниковыми и сотовыми сетями осуществляется либо через IP-шлюзы операторов спутниковых и сотовых сетей связи, либо посредством подключаемых спутниковых и сотовых модулей;

- аппаратная реализация абонентского устройства связи и концентратора осуществляется на единой плате, а значимые с точки зрения сетевой архитектуры комплекса различия реализованы при помощи исполнений платы (наличия установленного модуля спутниковой связи Iridium на К и отсутствием данного модуля на АУ, с возможностью установки пользователем), и в специальном программном обеспечении (прошивках микроконтроллеров), реализующем программное различие функционала АУ и К, однако с возможностью расширения функционала АУ. до К. при перепрошивке. Аппаратная реализация модема отлична от Абонентских устройств и Концентратора, имеет различные платы интерфейсов для различных протоколов датчиков, исполнительных устройств с обратной связью и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Сервер и Абонентский терминал - покупные изделия стороннего производителя. Все автономные устройства оснащены энергоемким аккумулятором, обеспечивающим не менее 4 часов работы.

Достижение технического результата осуществимо за счет обеспечения в описанном аппаратном комплексе телеметрии беспроводной связи с периферийными устройствами, интеграции Глобальной навигационной системы связи (ГНСС) (GPS/ГЛОНАСС) и возможности коррекции координат, комбинированном использовании беспроводных протоколов связи по стандартам BT, WiFi, GSM/3G/4G, SAT Iridium, возможности сбора и обмена данными с концевыми устройствами (датчиками, объектами с обратной связью) по протоколам RS-485, RS-232, UART, CAN, 1-Wire, наличию блоков АЦП на устройствах комплекса для сбора данных с аналоговых устройств с напряжением до 10В, наличию гальванически развязанного блока аналогового входа, наличию возможности установки на устройствах драйверов ключей высоковольтного полумоста для управления силовыми цепями, наличию интегрированных датчиков - датчика параметров окружающей среды (помощи которого осуществляется регистрация температуры окружающей среды в пределах от -40° до +85°С, относительной влажности от 0 до 100% и давления от 300 до 1100 hPa.), датчиков инерциальной навигации с магнетометром для определения углов и ускорений.

Возможность гибкой переконфигурации с возможностью реализации веерных, древовидных схем сетей и настройки комплекса, а также преимущества перед аналогами заключается в комбинации следующих особенностей:

- модемы комплекса имеют 5 исполнений, различающихся протоколами ввода-вывода и реализацией плат, согласно интерфейсам отдельных модемов, описанным на фиг. 2, каждое исполнение предназначено для того, чтобы обеспечить возможность выбора пользователем наиболее подходящего для телеметрируемых устройств и конкретных объектов автоматизации.

- АУ и К комплекса отличаются исполнениями, которые отличаются только наличием дорогостоящего трансивера Iridium, который установлен в К и исходно не устанавливается в АУ, однако может быть впоследствие добавлен пользователем, так как на АУ реализован разъем для данного модуля, таким образом АУ и К могут взаимозаменяться в случае установки модуля Iridium на АУ

- АУ и К могут работать как в иерархии, приведенной на фиг. 1, так и с иной структурой ветвления, в том числе когда один из АУ или К выступает в качестве ретранслятора, создавая сеть с любым количеством АУ и/или как в последовательной, так и в параллельном включении, как в режиме ретрансляторов, так и в режиме концевых ответвлений, ниже которых по иерархии устанавливаются модемы;

- сеть может быть сформирована из одного устройства К, ниже которого в иерархии в этом случае устанавливаются модемы

- сеть может быть сформирована лишь одним устройством К или АУ, к которому могут подключаться беспроводные или проводные датчики по имеющимся протоколам, либо без таковых датчиков с использованием только внутренних датчиков АУ или К

- к одному К или АУ могут подключаться до 256 модемов по протоколам Bluetooth (BT)

- к одному модему может подключаться столько концевых устройств (датчиков, исполнительных устройств), сколько позволяет реализованные на его конкретном исполнении интерфейсы - от 1 до 256 штук (в зависимости от стандартов используемых интерфейсов) по проводным интерфейсам, плюс до 128 беспроводных датчиков по интерфейсу BT независимо от исполнения устройства.

- АУ и К могут быть интегрированы в локальные или глобальные сети через WiFi подключение К к любому WiFi маршрутизатору, соединенному с данными сетями;

- Аппаратная часть комплекса реализована на высокопроизводительных программируемых микроконтроллерах ARM Cortex M4 и M7, которые обеспечивают возможность перенастройки сети, при этом доступ на устройства комплекса для перенастройки осуществляются с АТ, при этом АТ устанавливает связь с К и передает на К параметры настройки сети для каждого устройства, из которых должна быть сконфигурирована сеть по требованиям пользователя, и далее эти настройки ретранслируются на все нижестоящие и/или вышестоящие устройства сети с К на который осуществлен доступ;

- Аппаратная часть комплекса может иметь любое ПО, которое подойдет для программного управления встроенными в устройства комплекса высокопроизводительных микроконтроллеров ARM Cortex M4 и M7 с учетом архитектуры периферии плат устройств комплекса;

- для хранения и обработки данных может использоваться Сервер, который может быть, как физической ЭВМ, так и виртуальной;

- комплекс способен исполнять свое назначение при отсутствии АТ (в случае если был настроен ранее на автономную работу), а также при отсутствии Сервера. В случае отсутствия Сервера комплекс способен осуществлять предобработку и хранение данных, получаемых с телеметрируемых концевых устройств и датчиков самого комплекса, на АУ и К. Пределы вычислительной и пропускной способности комплекса определяются его элементной базой, нагруженностью канала данных и конфигурацией сети;

Реализация изобретения осуществляется в виде демонстрационного комплекса распределенной телеметрии, показанного на фиг. 2, согласно которому на объект автоматизации устанавливается следующий перечень устройств:

- пять модемов:

- (1) Модем типа 1 с интерфейсами RS-485, UART и устройствами АКУ с указанным интерфейсом (2);

- (3) Модем типа 2 с интерфейсом RS-485 и двумя аналоговым входами с опторазвязкой EXT_SW и устройствами АКУ с указанными интерфейсами (4);

- (5) Модем типа 3 с интерфейсом CAN, и устройствами АКУ с указанными интерфейсами (6);

- (7) Модем типа 4 с интерфейсами CAN и 3 x RS-485 и устройствами АКУ с указанными интерфейсами (8);

- (9) Модем типа 5 с 2 канальным 24-разрядным АЦП со входом с общей землей +-10В, а также интерфейсами RS-232, 1Wire, и устройствами АКУ с данными интерфейсами (10);

- беспроводное АКУ в виде беспроводного BT-датчика (11), способного подключаться к любому передающему устройству комплекса (любому М., АУ. или К.);

- АУ. (12), с комплексом антенн АУ (13) обеспечивающего контроль доступа, сбор и ретрансляцию данных на К. (14);

- К. (14), с комплексом антенн К. (15) обеспечивающего настройку нижестоящих устройств, сбор и ретрансляцию данных на С. (16), необходимый для хранения и обработки данных и реализации возможности облачной обработки данных;

- USB-кабели (17), необходимые для зарядки всех энергопотребляющих устройств, а также способные обеспечить проводное подключение к ПК в случае необходимости;

- блок станции подзарядки и блоков питания (18), необходимый для зарядки всех энергопотребляющих устройств комплекса и питания мощных АКУ;

- АТ. (19), необходимый для настройки и переконфигурации комплекса;

Примером работы комплекса распределенной телеметрии является работа с целью считывания серии данных на объекте автоматизации (ОА), которым является “распределенный центр мониторинга параметров технического оборудования и параметров окружающей среды научно-исследовательской геофизической станции”. На ОА имеется объект исследования - инженерно-геологический массив, на поверхности которого расположена станция, и в котором при помощи оборудования ОА исследуется влияние гидроразрыва пластов (ГРП), ранее проведенного специализированной сервисной компанией с оборудованием для ГРП вблизи станции, на последующие процессы диффузии и массопереноса жидкостей и газов в объекте исследования (массиве) при помощи накачки тестовой жидкости в исследовательскую напорную скважину (ИНС) и отбора проб из исследовательских тестовых скважин (ИТС), расположенных на нескольких тестовых площадках (ТП) за пределами станции, в непосредственной геологической близости к району, где был проведен ГРП. При этом существенным для применения беспроводной системы телеметрии является невозможность организаций проводного способа соединения на ТП вне территории станции, а также возможная непрогнозируемая необходимость изменения взаимного расположения главного пункта управления (ГПУ) станцией и ТП, и/или добавления других ТП, и/или нахождения ИТС и ИНС на удаленных друг от друга ТП. При этом ОА с точки зрения задач телеметрии представляет собой (см описание в доп.файле) комплекс природных объектов и научно-исследовательского оборудования, включающий в себя объекты мониторинга и аппараты, для которых требуется отслеживать телеметрические параметры. Описанный ОА содержит следующие составляющие:

1. Объект исследования - инженерно-геологический массив (геологическая среда), состоящая из исследуемых земных пластов под зоной исследования научной станции, а также окружающие природные объекты естественной среды (водные объекты, объекты флоры различного типа). При помощи датчиков исследуется отклик среды на производимые научным и вспомогательным оборудованием воздействия, а также развитие этих воздействий во времени и влияние естественных процессов.

2. Научно-исследовательская геологическая станция, расположенная в удаленном регионе, не имеющая подключения к проводным сетям связи;

3. геофизическое и общее научное оборудование в составе исследовательского специализированного комплекса геофизического оборудования (СКГО) на площадке 1 в пределах 1,5 км от ГПУ научной станции, предназначенное для проведения исследований влияния ГРП на диффузионные свойства инженерно-геологического массива с необходимостью контроля:

a. измеряемых датчиком крайних положений несерийного исследовательского малогабаритного скважинного поршневого насоса (ИМСПН) накачки тестовой жидкости в СКГО.

b. измеряемого датчиком относительного положения штока поршня ИМСПН в оборудовании, показывающего текущее положение поршня в ходе накачки.

c. измеряемого датчиком давления в баке с тестовой жидкостью (вода + пропиленгликоль + добавки) в оборудовании СКГО

d. регистрируемого мембранным датчиком высокого давления, нагнетаемого ИМСПН в ИТС, снимаемых при помощи аналогового входа АЦП, имеющемся на модеме датчика давления.

4. Общелабораторное (пробоотборные колбы стеклянные химические, соединители с вентилями пробоотбора) и геофизическое научное оборудование на площадке 2 в пределах 1,5 км от площадки 1 и в пределах 3 км от поста управления научной станции, предназначенное для проведения исследований скорости диффузии тестовых жидкостей в подстилающих пластах после проведения работ ГРП, при этом с помощью телеметрической системы на ОА необходимо проводить контроль:

a. Измеряемой датчиком CAN скорости потока промывающей буферной жидкости на ИТС, из которых берется отбор проб методом промывки буфером с постоянной скоростью.

b. Параметров сервопривода с обратной связью Интегрированный сервопривод, управляющего по шине CAN оборудованием, приводящим в движение заслонку вентиля промывающей жидкости на объекте типа “исследовательская скважина”. При этом сервопривод имеет источник питания данного сервопривода на основе литий-ионных аккумуляторных сборок в защитном кофре с системой менеджмента заряда, обеспечивающий автономную работу 30 дней в режиме периодических включений (в климатическом исполнении и соответствующих условиях.

c. Измеряемого датчиком BLE уровня промывающей буферной жидкости в буферной цистерне на объекте ИТС

5. Вышка связи стандарта GSM900/1800, обеспечивающая устойчивую связь на территории станции

6. Сервер 1 (основной), расположенный в здании главного поста управления станции и сетевое оборудование, обсепечивающее локальную IP сеть в пределах главного поста управления станции.

7. Сервер 2 (вариант удаленного сервера), расположенный в коммерческом центре обработки данных в крупном городе (абсолютное физическое расположение не принципипально), расположенный относительно станции вне пределов проводных IP-сетей, но способный установить связь с оборудованием на станции через глобальные сети

Реализация позволяет осуществить все описанные беспроводные режимы работы с любой комбинацией типов связи между двумя последовательными устройствами из типов связи, осуществляемых данными устройствами комплекса. При этом режимы работы и настройки могут быть сконфигурированы путем доступа к настройкам отдельных устройств через АТ. и/или серверные приложения, а обработка и хранение данных возможно как на самих устройствах, так и на С.

Рассматриваемое изобретение является аппаратным комплексом с высокой степенью автономности, для сбора и передачи потоковых и телеметрических данных, посредством самоорганизующихся беспроводных сетей ШПД, включающих спутниковый сегмент, с возможностью применения облачных вычислений и элементов искусственного интеллекта на удаленных серверах, возможностью удаленного управления и гибкой конфигурации, возможностью применения для автоматизации широкого класса концевых устройств и для построения опорной навигационно-сетевой инфраструктуры, обеспечивающей в том числе обнаружение заданных событий и коррекцию навигационных данных для глобальных систем позиционирования.

Источники информации:

1. RU 2258012 C2 10.08.2005 «телеметрическая система автомобиля»

2. RU 2716964 С1 18.03.2020 «Телеметрическая система контроля технологического состояния транспортного средства

3. RU 36801 U1 27.03.2004 «система для контроля состояния и управления транспортным средством»

4. RU 2282543 С1 27.08.2006 «телеметрическая система контроля бодрствования водителя транспортного средства»

5. RU 33662 U1 «Телеметрическая система контроля работоспособности водителя транспортного средства по уровню бодрствования и предвестникам глипегликемии»

6. RU 101546 U1 20.01.2011«Устройство сбора данных цифровое»

7. RU 2134488 U1 10.08.1999 «Система управления для спутниковой системы связи и телеметрическая следящая и управляющая система связи»

8. RU 2304843 С2 20.08.2007 «Глобальная интегрированная спутниковая навигационно-командно-телеметрическая система»

9. RU 117923 U1 10.07.2012 «Устройство телеметрии протекторной защиты подземного оборудования»

10. RU 95211 U1 10.06.2010 «Модуль телеметрии ТТЗ»

11. RU 2649628 C1 04.04.2018 «Система точной навигации подвижных объектов с использованием данных наземной инфраструктуры ГЛОНАСС»

12. RU 111940 U1 27.12.2011 «Система навигации, регистрации, мониторинга, охраны и контроля стационарных и мобильных объектов с использованием глобальная навигационной спутниковой системы»

Реферат

Изобретение относится к области промышленной автоматизации и может быть использовано для автоматизации промышленных, производственных, удаленных и распределенных объектов, а именно для сбора на объектах данных с датчиков и приборов контроля, управления приборами автоматики и исполнительными механизмами. Сущность заявленного комплекса заключается в том, что аппаратный комплекс телеметрии содержит четырехуровневую архитектуру сбора, передачи и обработки данных, включающую: первый уровень локального сбора данных посредством по меньшей мере пяти модемов, соединенных с автоматизированными конечными устройствами, с последующей их предобработкой, по неповторяющимся интерфейсам; второй уровень локального обмена и ретрансляции данных, осуществляемый между модемами и по меньшей мере одним абонентским устройством (АУ), содержащим комплекс антенн для осуществления беспроводной связи, где АУ выполнен с возможностью предобработки и ретрансляции обработанных или исходных данных на по меньшей мере один концентратор, содержащий комплекс антенн для осуществления беспроводной связи и входящий в состав третьего уровня локального обмена и ретрансляции данных в локальные сегменты телеметрической сети и/или глобальные сети, где по меньшей мере один концентратор выполнен с возможностью осуществлять предобработку данных, записывать данные для их хранения или удаления, отправки данных на по меньшей мере один абонентский терминал (АТ) для их визуализации, осуществлять логирование событий, а также отправки полученных данных на по меньшей мере один сервер, входящий в состав четвертого уровня глобального обмена данными и глобального геопозиционирования, при этом абонентский терминал выполнен с возможностью управления, настройки и переконфигурации структуры и маршрутизации сбора и передачи данных внутри архитектуры аппаратного комплекса. Технический результат, обеспечиваемый комплексом, заключается в комбинированном обеспечении высокой точности получаемых данных, возможности гибкой конфигурации, легкой перенастройки структуры сети и изменении маршрутизации сбора и передачи данных без необходимости монтажа новой сигнальной проводки, широкого выбора протоколов для сбора данных и управления концевыми автоматизируемыми устройствами, возможности конфигурации и перенастройки сети с удаленного абонентского терминала. 4 ил.

Формула