Система для дистанционного считывания показаний датчиков
Изобретение относится к области систем учета за потребление ресурсов различного вида и может быть использовано для телеметрии и сбора данных с приборов учета энергоресурсов, в частности счетчиков электроэнергии, воды и газа. Система для дистанционного считывания показаний датчиков содержит сеть устройств передачи данных, каждое из которых состоит из последовательно включенных датчика, процессора и первого радиомодуля, устройство приема данных, состоящее из последовательно включенного второго радиомодуля, второго процессора и компьютера, при этом устройства передачи данных разбиты на m групп по n устройств передачи данных, первый радиомодуль содержит приемник шумоподобных сигналов с расширением спектра и узкополосный передатчик, второй радиомодуль содержит передатчик шумоподобных сигналов с расширением спектра и первый узкополосный приемник, во второй радиомодуль введены n-1, или больше узкополосных приемников, входы которых соединены с входом первого узкополосного приемника, а выходы - со вторым процессором, причем коэффициент расширения спектра передатчика с шумоподобным сигналом выбирается больше 10, а скорость передачи данных узкополосного передатчика выбирается меньше 480 бит/с. Технический результат – увеличение дальности радиосвязи за счет возможности значительного повышения чувствительности приемного тракта при сохранении суммарной информационной скорости опроса датчиков. 1 ил.
Изобретение относится к сетям, состоящим из беспроводных приемопередающих устройств, объединяемых посредством беспроводной связи в единую сеть, для передачи различных видов информации, получаемой от устройств считывания с датчиков, которыми могут быть: различные сенсоры, счетчики электроэнергии, газа, воды и т.д., используемых для учета расхода различных ресурсов.
Известно устройство для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с помощью передачи информации с индивидуальных счетчиков по каналу GSM сотовой связи - «GSM-транслятор показаний приборов учета потребляемых ресурсов», патент на полезную модель RU №153771, G08C 19/00, 07.10.2014, где PIC-контроллер, вход которого соединен с источником питания 220 В/5 В, первый вход/выход соединен с, по крайней мере, одним электронным счетным устройством, на который подаются импульсы замыкания от прибора учета потребляемых ресурсов, и соединенного выходом с ЖК-дисплеем для отображения цифровых показаний электронного счетного устройства, второй вход/выход PIC-контроллера соединен с входом/выходом РППЗУ, предназначенного для хранения базы данных, содержащей номера телефонов пользователей, допущенных к получению услуги информирования о потребляемых ресурсах, третий вход/выход PIC-контроллера соединен с входом/выходом GSM-модуля, осуществляющего передачу и прием GSM-сигналов посредством соединенной с GSM-модулем выносной GSM-антенны, служащей для излучения и приема радиочастотных GSM-сигналов, а также SIM-карты, обеспечивающей связь GSM-модуля с базовыми станциями любого оператора сотовой связи, четвертый вход/выход PIC-контроллера соединен с входом/выходом автоматического таймера, выполненного с возможностью активации отправки SMS-сообщений с информацией о потребляемых ресурсах на запрограммированные в РППЗУ номера абонентов.
Недостатками этого устройства является необходимость наличия сети GSM в месте установки счетчиков, высокая стоимость абонентского оборудования и необходимость абонентской платы за использование сети GSM.
Известно устройство передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с использованием радиоканала, описанное в «Способ связи для дистанционного считывания показаний счетчиков», патент на изобретение RU №2455763, Н04В 7/00, G01D 4/00, 08.02.2008, где используется сеть модулей, соединенных со счетчиками, с которых производится дистанционное считывание показаний, промежуточные концентраторы, радиосвязь между которыми и модулями осуществляется в частотном диапазоне UHF, в то время, как радиосвязь между промежуточными концентраторами и главным концентратором осуществляется в частотном диапазоне VHF.
В этом устройстве большая дальность радиосвязи достигается за счет ретранслирования радиосигналов с большой мощностью и с переносом их в другой, более «дальнобойный» частотный диапазон VHF. Необходимость использования ретрансляторов существенно удорожает реализацию системы. Кроме того, частоты в диапазоне VHF с использованием повышенной мощности, не являются безлицензионными, и их использование требует приобретения лицензии.
Известна система передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с использованием радиоканала - «Система связи для сбора данных и способ для приема данных в системе связи», патент на изобретение RU №2484586, Н04В 7/24, 10.02.2012, содержащая распределенную сеть для доставки данных на устройство - инициатор опроса, при этом распределенная сеть содержит множество устройств для считывания значения параметра по меньшей мере одного датчика, процессор управления, назначаемый инициатором опроса из числа устройств для считывания, предназначен для опроса множества
устройств для считывания, процессор управления выполнен с возможностью передачи в распределенную сеть команды опроса на время, которое перекрывает период пробуждения устройств для считывания, имеющих произвольное время пробуждения; приема данных от датчиков, их выбора по приоритету и посылке выбранному устройству для считывания персонального подтверждения, при наличии коллизии - посылки отрицательного подтверждения; устройства для считывания предназначены для приема команды опроса, передачи данных, их прекращения в случае получения персонального подтверждения, и прекращения передачи данных в случае получения отрицательного подтверждения, и возобновления ее через псевдослучайную задержку.
В этой системе большая дальность радиосвязи достигается за счет ретранслирования радиосигналов с помощью соседних объектовых устройств. Недостатками являются - невозможность передачи данных с удаленных объектов, при невозможности установки промежуточных ретрансляторов, а также неэффективное использования частотно-временного ресурса за счет многоступенчатой ретрансляции и возможности взаимной коллизии принимаемых сигналов.
Из известных устройств передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с использованием радиоканала наиболее близким к заявляемому, является «Автоматизированная система сбора данных о потреблении энергоресурсов за расчетный период», патент на полезную модель RU №77476, G08C 19/00, G08C 17/02, 07.04.2008, содержащая первичные измерители - счетчики с импульсным выходным устройством, устройства передачи данных, каждое из которых установлено вблизи от соответствующего счетчика и доступно потребителю энергии, удаленные устройства приема данных и накопления данных, используемые оператором системы, отличающееся тем, что устройство передачи данных содержит счетчик импульсов, узел преобразования полученных данных в цифровой интерфейс, энергонезависимую память и радиомодуль для передачи данных в режиме «запрос-ответ», устройство приема данных содержит радиомодуль для выдачи запроса и для приема данных и узел преобразования радиосигнала в цифровой интерфейс, а устройством накопления данных для последующей их обработки является компьютер.
Недостатком этого устройства является небольшая дальность передачи данных, связанная с тем, что опрос устройств производится последовательно, по одному - по принципу запрос-ответ, что при большом количестве объектов требует использования радиоканала с большой скоростью передачи информации, следствием чего является невозможность получения высокой чувствительности приемника, а следовательно и большой дальности передачи данных.
Известно, что дальность радиосвязи в свободном пространстве определяется мощностью передатчика, чувствительностью приемника и коэффициентом усиления антенн. В используемых для передачи показаний счетчиков диапазонах частот 433 МГц и 868 МГц мощность передатчика ограничена 10…25 мВт, размеры антенн (усиление) ограничены конструктивным выполнением устройств. И единственным путем увеличения дальности является повышение чувствительности приемника, которая определяется, главным образом, его полосой пропускания, которая не должна быть меньше ширины спектра передатчика.
Ширина спектра передатчика определяется скоростью передачи информации - чем больше скорость передачи информации, тем шире спектр передатчика, для приема которого требуется более широкополосный приемник.
Чувствительность приемника определяется минимальным уровнем сигнала S, различимого на уровне шумов.
Из радиотехники известно (И.С. Гоноровский "Радиотехнические цепи и сигналы", Учебник для вузов, Москва, "Радио и связь", 1986 г.), что величину S можно подсчитать по формуле, обобщенный вид которой может быть представлен следующим образом:
S=N⋅(F-1)kT0⋅Δf,
где N - постоянный коэффициент - отношение сигнал/шум на входе приемника, которое необходимо обеспечить при приеме сигнала (для кодового сигнала эта величина должна быть в пределах от 5 до 10 дБ, для голосовой связи эта величина установлена равной 12 дБ);
F - коэффициент шума приемника;
k - постоянная Больцмана - 1,380 6504(24)⋅10-23 Дж/К;
Т0 - температура окружающей среды (в градусах Кельвина);
Δf - полоса пропускания приемника.
В этой формуле все составляющие постоянны, либо (как температура) не зависят от пользователя, кроме полосы пропускания Δf.
Таким образом, реальным путем повышения чувствительности приемника является уменьшение полосы пропускания и, как следствие этого - значительное увеличение дальности приема данных. На практике используется скорость передачи данных до 4800 бит/сек.
При стандартных методах модуляции (AM, ЧМ, ФМ) и, с учетом нестабильности опорных генераторов, полоса пропускания приемника обычно при этом выбирается равной 15 кГц, что и является реальным ограничением для дальности радиосвязи. Чувствительность приемника при этом, как правило, не лучше -120 dbm.
В этом случае, в безлицензионных диапазонах 433 МГц и 868 МГц и при мощности передатчика 10 мВт, дальность радиосвязи в условиях города не превышает 300…500 м, что, в большинстве случаев мало, и требуется использование ретрансляторов для охвата большой территории.
Настоящее изобретение направлено на увеличение дальности радиосвязи и, соответственно, зоны покрытия дистанционного считывания показаний датчиков, что позволяет отказаться от использования ретрансляторов.
Технический эффект при этом достигается за счет возможности значительного повышения чувствительности приемного тракта, при сохранении суммарной информационной скорости опроса датчиков в системе, что и позволяет значительно увеличить дальность радиосвязи и зону покрытия.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем сеть устройств передачи данных, каждое из которых состоит из последовательно включенных датчика, процессора и первого радиомодуля, устройства приема данных, состоящего из последовательно включенного второго радиомодуля, второго процессора и компьютера, устройства передачи данных разбиты на m групп по n устройств передачи данных, первый радиомодуль содержит приемник шумоподобных сигналов с расширением спектра и узкополосный передатчик, второй радиомодуль содержит передатчик шумоподобных сигналов с расширением спектра и первый узкополосный приемник, во второй радиомодуль введены n-1, или больше, узкополосных приемников, входы которых соединены с входом первого узкополосного приемника, а выходы со вторым процессором, причем коэффициент расширения спектра передатчика с шумоподобным сигналом выбирается больше 10, а скорость передачи данных узкополосного передатчика выбирается меньше 480 бит/сек.
Функционирование предлагаемой системы для дистанционного считывания показаний датчиков поясняется структурной схемой, приведенной на Рис. 1.
Система содержит сеть устройств передачи данных 1, состоящую из k устройств передачи данных 2, каждое из которых состоит из одного, или нескольких датчиков 3, установленных на счетчиках электроэнергии, воды, газа и т.д., процессора 4 и радиомодуля 5, состоящего из узкополосного передатчика 6, приемника ШПС 7 и антенны А1, устройство приема данных 8, состоящее из радиомодуля 9, состоящего из антенны А2, передатчика ШПС 10 и n узкополосных приемников 11, процессора 12 и компьютера 13.
Питание элементов устройства передачи данных 2 может осуществляться от встроенных в него батареи, аккумулятора, или от сети 220 В. Питание элементов устройства приема данных 8 может осуществляться от сети 220 В.
Работает заявляемая система дистанционного считывания показаний датчиков следующим образом. На компьютер 13 устанавливается специальное программное обеспечение, в соответствии с алгоритмом работы которого, компьютер 13 последовательно выдает на процессор 12 команды на адресный опрос групп объектовых устройств передачи данных 2, образующих сеть устройств передачи данных 1. Сеть устройств передачи данных 1 состоит из k устройств передачи данных 2, которые разбиты на m групп по n устройств. Команды на опрос групп выдаются последовательно, начиная с группы №1 и так до группы № m, затем цикл опроса периодически повторяется. Процессор 12 в соответствии с этими командами формирует запросное сообщение, по которому радиомодуль 9 через передатчик ШПС 10 и антенну А2 передает в радиоэфир адресную команду на запрос соответствующей группы из n устройств передачи данных 2. Все приемники ШПС 7 сети устройств передачи данных 1 принимают эту команду, процессор 4 производит ее обработку, и те устройства передачи данных 2 у которых принятый адрес группы совпал с присвоенным им адресом группы, все одновременно, через процессор 4 осуществляют опрос подключенных к ним датчиков 3, после чего процессор 4 формирует ответное сообщение, которое содержит номер устройства в данной группе, данные со всех подключенных датчиков 3 и необходимую служебную информацию. Через узкополосные передатчики 6 и антенну А1, эти сообщения передаются одновременно всеми устройствами передачи данных 2 запрошенной группы, причем каждое передается на своей частоте, в соответствии с номером внутри группы, в отведенной полосе радиочастот.
Принятый антенной А2 сигнал поступает на устройство приема данных 8, на n узкополосных приемников 11, сигналы с выхода которых поступают на процессор 12. При этом каждый узкополосный приемник 11 принимает сигнал только от одного устройства передачи данных 2, в соответствии с присвоенным ему номером в группе - каждому номеру в группе соответствует конкретная рабочая радиочастота. С выхода процессора 12 предварительно обработанные им принятые данные от группы из n устройств передачи данных 2 поступают в компьютер 13, для последующего их использования и анализа.
После окончания времени, отведенного на прием сообщений от запрошенной группы устройств передачи данных 2, компьютер 13 выдает команду на запрос следующей по порядку группы устройств передачи данных, и так до группы m, после чего цикл опроса повторяется.
Принятые данные накапливаются в компьютере 13 и используются в соответствии с установленным на него программным обеспечением.
Увеличение дальности радиосвязи, а, следовательно, и зоны сбора данных дистанционного считывания показаний датчиков достигается тем, что для передачи запросов групп объектов в направлении от устройства приема данных 8 к устройствам передачи данных 2 используется радиоканал с расширением спектра - с использованием шумоподобных сигналов (ШПС), что позволяет значительно увеличить чувствительность приемников ШПС 7 (Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М., «Радио и связь», 1985. - 384 с.)
При этом расширение спектра может быть достигнуто за счет использования метода прямой последовательности, или метода линейной частотной модуляции (http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/210742). Оба метода хорошо изучены и широко используются на практике и их реализация в виде отдельных микросхем доступна для использования. Так, известна микросхема SX1276 фирмы Semtech, использование которой позволяет свести приемник ШПС 7 всего к одной микросхеме, что значительно упрощает и удешевляет устройство передачи данных 2. При этом чувствительность может достигать - 148 dbm, что позволяет почти в 10 раз увеличить дальность радиосвязи и в 100 раз увеличить площадь зоны покрытия. Недостатком этого метода является резкое снижение скорости передачи информации до 50 бит/сек в канале радиосвязи, однако это не является препятствием, т.к. в направлении от устройства приема данных 8 к устройствам передачи данных 2 передается очень небольшой объем информации - только номер запрашиваемой группы.
Для увеличения дальности радиосвязи в направлении от устройств передачи данных 2 к устройству приема данных 8, используется узкополосный канал радиосвязи. Как было показано выше, сужение полосы радиоканала является эффективным средством увеличения дальности радиосвязи. Так, для увеличения дальности радиосвязи в 10 раз, полоса радиоканала должна быть уменьшена не менее чем в 100 раз, а чувствительность при этом увеличится до - 140 dbm. Так, при стандартной полосе пропускания приемника радиоканала 15 кГц, она должна быть уменьшена до 150 Гц. Скорость передачи информации при этом будет около 50 бит/сек. Однако, учитывая, что на запрос центрального устройства приема-передачи 2 одновременно отвечают n объектовых приемо-передатчиков из одной группы, то суммарно эта скорость будет в n раз больше. Реально n может достигать 100 и более, а суммарная скорость передачи данных - 5000 бит/сек и более.
При использовании узкополосного канала радиосвязи возможно использование очень простых и дешевых узкополосных передатчиков. Так, при использовании сверхузкополосной ЧМ-модуляции с девиацией частоты ±50 Гц, узкополосный передатчик 6 будет состоять из кварцевого задающего генератора с модулирующим варикапом и усилителя мощности на транзисторах. При использовании микросхемы SX1276, она же может быть использована и в качестве узкополосного передатчика 6, что позволяет сделать узкополосный передатчик 6 и приемник ШПС 7 вместе на одной микросхеме. В состав микросхемы SX1276 также входит программируемый синтезатор частот, что позволяет для каждого узкополосного передатчика 6 внутри одной группы запрограммировать индивидуальную рабочую частоту. При этом частоты программируются с заданным шагом, например 300 Гц, или больше.
N узкополосных приемников 11 могут быть выполнены в виде одного устройства на основе цифровых принципов обработки радиосигнала. При этом основные элементы цифровой части приемника сосредоточены в модуле цифрового приемника. Этот модуль производит канальную фильтрацию и демодуляцию сигнала. Модуль может обрабатывать одновременно много каналов приема. Основные компоненты модуля - высокочастотный АЦП, цифровой квадратурный понижающий преобразователь DDC и сигнальный процессор. На этом принципе могут быть построены многоканальные радиоприемники с одинаковыми по параметрам каналами и с количеством каналов от единиц до сотен и тысяч. Могут быть использованы готовые платы многоканальных цифровых приемников, например выпускаемые серийно фирмой ЗАО «Инструментальные системы» (http://www.insys.ru/products/ddc).
Минимальное количество узкополосных приемников 11 в радиомодуле 9 должно быть равно количеству используемых рабочих радиочастот, т.е. равно количеству устройств передачи данных 2 в одной группе, т.е. n. Однако, при использовании узкополосных каналов, возникают проблемы связанные со стабильностью частоты опорных генераторов в узкополосных передатчиках 6 и возможны случаи ухода частоты передатчиков за пределы выделенного приемного канала, что приведет к взаимным помехам в соседних каналах и к возможности потери сообщения. Для устранения этого увеличивают шаг сетки частот узкополосных передатчиков 6, а между этими частотами располагают дополнительные каналы приема - все с частичным взаимным перекрытием. В этом случае, при уходе частоты узкополосного передатчика 6, его сигнал попадает в соседний по частоте узкополосный приемник 11 и потери сообщения не происходит. Для реализации этого, количество узкополосных приемников 11 должно быть увеличено в несколько раз - это легко сделать, при использовании цифровых методов приема, например основанных на преобразовании Фурье.
Можно оценить граничные значения для коэффициента расширения спектра для передатчика ШПС 10 и скорости передачи для узкополосных передатчиков 6, при которых предлагаемое устройство становится эффективнее системы с использованием ретранслятора. Повышение чувствительности приемника на 10 db увеличивает реальную дальность связи в 2 раза, что эквивалентно использованию ретранслятора. В этом случае, для повышения чувствительности приемника ШПС 7 коэффициент расширения спектра должен быть больше 10, а скорость передачи информации в узкополосном передатчике 6 должна быть снижена также в 10 раз с 4800 бит/сек до 480 бит/сек.
При использовании коэффициентов расширения спектра передатчика ШПС 10 более 100 и при снижении скорости передачи узкополосного передатчика 6 до 50 бит/сек и менее, можно повысить чувствительность приемника ШПС 7 и узкополосного приемника 11 на 20…25 db, что позволит увеличить дальность радиосвязи до 10 раз и более.
Таким образом, предлагаемый способ передачи данных, для дистанционного считывания показаний датчиков, позволяет существенно увеличить дальность считывания данных и зону покрытия. Это позволяет создавать системы с дальностью до 5 км и более, при использовании передатчиков с мощностью 10…25 мВт в безлицензионных диапазонах частот 433 МГц и 868 МГц и без использования ретрансляторов.
Система для дистанционного считывания показаний датчиков, содержащая сеть устройств передачи данных, каждое из которых состоит из последовательно включенных датчика, процессора и первого радиомодуля, устройство приема данных, состоящее из последовательно включенного второго радиомодуля, второго процессора и компьютера, отличающаяся тем, что устройства передачи данных разбиты на m групп по n устройств передачи данных, первый радиомодуль содержит приемник шумоподобных сигналов с расширением спектра и узкополосный передатчик, второй радиомодуль содержит передатчик шумоподобных сигналов с расширением спектра и первый узкополосный приемник, во второй радиомодуль введены n-1 или больше узкополосных приемников, входы которых соединены с входом первого узкополосного приемника, а выходы со вторым процессором, причем коэффициент расширения спектра передатчика с шумоподобным сигналом выбирается больше 10, а скорость передачи данных узкополосного передатчика выбирается меньше 480 бит/с.
