Многофункциональный беспроводной контроллер
Изобретение относится к многофункциональному беспроводному контроллеру. Технический результат заключается в повышении надежности непрерывного измерения сигналов с внешних объектов. Контроллер содержит микропроцессор, обеспечивающий обработку полученной информации с внешних объектов, запись в четыре независимых Архива энергонезависимой памяти, функцию часов реального времени, функцию установки интервала архивирования кратно 5 минутам, по истечении которого будут записываться в четыре независимых архива и передаваться на сервер, управление и контроль GSM/GPRS-модулем и энергонезависимой памятью емкостью 2 Мбайта для хранения четырех независимых архивов, интерфейсом USB, интерфейсом RS485 для подключения внешних устройств, GSM/GPRS-модулем с антенной для непрерывной двухсторонней связи с диспетчерским пунктом через сервер, узлами управления внешними объектами, узлом согласования входных дискретных сигналов шести гальванически развязанных каналов для получения информации о состоянии внешних объектов, измерение и обработка токовых сигналов по четырем каналам в диапазоне 0,000–0,020 Ампер, отключение питания от GSM/GPRS-модуля на 9 минут, программное включение и выключение управляющих реле по заданному гибкому алгоритму, установка разных режимов работы в сети Интернет, без использования сети Интернет. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Многофункциональный беспроводной контроллер предназначен для сбора данных и архивирования в четырех независимых Архивах от территориально удаленных объектов, таких, как артезианские скважины, лифтовые хозяйства, а также приборы учета расхода воды, тепла, газа, электроэнергии и других учетных приборов коммунального хозяйства и дистанционного управления этими объектами. Четыре канала управления при помощи реле. Объектами управления могут быть электродвигатели артезианских скважин, фонари уличного освещения и так далее. Также может быть использован на объектах нефтедобывающей промышленности.
По функциональному назначению известно подобное «Устройство диспетчеризации территориально разнесенных объектов» (Патент РФ №2237286), которое содержит совокупность территориально разнесенных терминальных устройств, связанных с помощью адаптеров, каждый из которых содержит микроконтроллер, приемник системы местоопределения GPS и модуль GSM, снабженный антенной, через сеть GSM, содержащую систему пакетной передачи сообщений GPRS и центр коротких сообщений SMS, с центром диспетчеризации, обеспечивающим прием, накопление, обработку и анализ сообщений от терминальных устройств.
Недостатком данного устройства является то, что передача информации осуществляется на основе системных кадров, которые синхронизируются по временным меткам, получаемым от приемника системы GPS и производится всегда по наступлению момента синхронизации, а не по запросу от диспетчерского пункта или по желаемому интервалу времени, который устанавливает пользователь. К недостаткам можно отнести также использование дополнительного канала GSM-сети, что приводит к использованию нестандартного оборудования и в конечном итоге внедрение и эксплуатация становятся очень дорогими.
Наиболее близким к заявляемому является «Многофункциональный Беспроводной Контроллер» (Патент РФ на полезную модель №81359 от 14 ноября 20008 года), который предназначен для сбора данных от территориально удаленных объектов, таких, как артезианские скважины, лифтовые хозяйства, а также приборы учета расхода воды, тепла, газа, электроэнергии и других учетных приборов коммунального хозяйства и дистанционного управления этими объектами.
Недостатком данного устройства является использование энергонезависимой памяти для хранения ранее накопленных данных и нештатной ситуации в общее пространство, хранение их только на время пропадания сетевого питания и очистка ее каждый раз после передачи на диспетчерский пункт в связи с малой емкостью энергонезависимой памяти-128 Кбайт.
К недостаткам указанного устройства относится также то, что управление реле осуществляется дистанционно от ПК, расположенного на диспетчерском пункте. При срыве связи с диспетчерским пунктом на длительное время невозможно включать или выключать реле дистанционно до полного восстановления связи с диспетчерским пунктом.
Существенным недостатком данного устройства является отсутствие режима автономной работы при полном отсутствии связи с диспетчерским пунктом или использовании дистанционной связи на несколько секунд в сутки, недели или месяцы для считывания накопленных данных.
Еще одним существенным недостатком указанного устройства является то, что отсутствует возможность считывания ранее накопленных данных при полном отсутствии связи с диспетчерским пунктом по разным причинам: вышла из строя СИМ-карта МБК, неполадки ПК на диспетчерском пункте и т.д.
К недостаткам данного устройства относится отсутствие дистанционного отключения сетевого питания в критических ситуациях.
Техническим результатом заявляемого устройства является обеспечение надежной работы, как в автономном режиме, так и в рамках сети Интернет непрерывного измерения аналоговых, частотных сигналов, контроля и управления удаленными объектами, а также использования разных режимов работы с сетью Интернет с целью экономии денежных средств на обслуживание.
Преимуществами заявляемого устройства являются также следующие особенности: наличие полного автономного режима без использования сети Интернет; возможность программного отключения узла GSM/GPRS-модуля от 1 минуты до 10 суток; использования сети Интернет только для считывания данных из четырех независимых архивов и накопленных данных один раз в сутки; возможность в непрерывном режиме работы в сети Интернет; наличие четырех независимых архивов общим объемом 2 Мбайта - Архив текущих значений, Суточный Архив, Архив нештатных ситуаций и Архив для хранения измеренных аналоговых сигналов глубиной хранения всех четырех Архивов до трех месяцев;
Особым преимуществом заявляемого устройства является возможность установки интервала Архивирования кратно 5 минутам: [5;10;15;20 …55;60]. Это означает, что при интервале Архивирования 5 минут глубина текущего Архива будет 1,7 месяца, при 10 минутах - будет 3,4 месяца, при 15 минутах будет 5,1 месяца, при 20 минутах будет 6,8 месяца и так далее и наконец при 60 минутах будет 8,5 года. И возможность изменения Интервала Архивирования программно в любой момент.
Возможность программного управления включением и выключением релейных каналов по заданному расписанию последовательно до трех раз в сутки по четырем каналам независимо; возможность считывания Архивов и накопленных значений на ноутбук, пульт-накопитель или флеш-карту при отключенном состоянии от сети Интернет используя USB-интерфейс.
Преимуществом заявляемого устройства также является увеличение разрядности АЦП от 10 до 12 разрядов, что увеличивает разрешающую способность и вследствие чего точность измерения аналоговых сигналов, то есть токов.
Преимуществом заявляемого устройства также является увеличение количества узлов управления от 2 до 4, что увеличивает количество управляемых объектов.
Одним из важных преимуществ заявляемого устройства является также режим дистанционного отключения сетевого питания с возможностью автоматического восстановления через 9 минут при возникновении критических ситуаций как по команде оператора с диспетчерского пункта, так и при помощи CMC-сообщения. По команде оператора возможно дистанционное отключение сетевого питания на промежуток времени до 4 часов с автоматическим включением питания по истечении данного времени.
Преимуществами заявляемого устройства являются также следующие особенности: обеспечивается надежная непрерывная двухсторонняя связь с сервером без участия внешних устройств и без участия обслуживающего персонала, двухсторонняя связь позволяет осуществлять не только мониторинг удаленных объектов, но и управление ими, обеспечивается подключение первичных датчиков непосредственно к Многофункциональному Беспроводному Контроллеру, который обрабатывает поступающие сигналы, преобразует их в цифровой вид и архивирует в четырех независимых Архивах, возможность подключения токовых датчиков с токами от 0 до 100 Ампер, продолжение функционирования устройства при пропадании связи с Интернет, обеспечение работоспособности устройства в зимнее время при минусовой температуре.
Вышеуказанный технический результат достигается в многофункциональном беспроводном контроллере (1), структурная схема которого представлена на рисунке 1, содержащем микропроцессор с программной реализацией часов реального времени (11), энергонезависимой памятью для четырех независимых архивов (6, 7, 8, 9), интерфейсом USB (4), интерфейсом RS485 (3), GSM/GPRS-модулем (12) с антенной (28), четырьмя узлами управления внешними объектами (17, 18, 19, 20), с гальванически развязанным шестиканальным узлом согласования входных дискретных сигналов (16), четырехканальным узлом преобразования тока в напряжение (10), с резервным питанием (30), датчиком температуры (13). Микропроцессор (11) обеспечивает ход программно реализованных часов реального времени, осуществляет обработку полученной информации с внешних объектов, перевод информации в цифровой код, запись в энергонезависимую память для хранения и подготовку ее для передачи по беспроводной связи, функцию установки интервала времени, по истечении которого вся информация автоматически передается на диспетчерский пункт, управление и контроль GSM/GPRS-модулем для непрерывной двухсторонней связи с диспетчерским пунктом через Интернет. Микропроцессор постоянно отслеживает состояние связи с диспетчерским пунктом и восстанавливает ее в случае пропадания связи. В случае «полного зависания» GSM/GPRS-модуля микропроцессор отключает питание модуля на 9 минут и по истечении этого времени вновь включает его и осуществляет процесс установления TCP/IP сессии через GPRS и Интернет. Получив из сервера управляющие команды, записывает их в EEPROM и в дальнейшем микропроцессор с их помощью автономно осуществляет управление внешними объектами, например, включает или выключает уличные фонари при помощи четырех узлов управления внешними объектами (17, 18, 19, 20) или электродвигателей артезианских насосов. Измерение аналоговых сигналов от датчиков с токовыми выходами, подключенных к узлу преобразования тока в напряжение (10), производится внутренним 12-разрядным АЦП микропроцессора. Узел согласования входных дискретных сигналов (16) имеет 6 входов и гальванически развязан от внешних объектов. По этим входам принимаются дискретные сигналы типа «включен/выключен», поэтому они используются в качестве входов датчиков охранной сигнализации. Один из этих же каналов может использоваться для измерения частоты и подсчета количества импульсов в качестве счетчика при подключении к этому входу первичного датчика с частотным выходом, например, датчика расхода жидкости, реализуется расходомер для измерения как мгновенного, так и интегрального расхода жидкости. Такой режим устанавливается дистанционно путем подачи команды от сервера. Питание многофункционального беспроводного контроллера осуществляется от аналогового блока питания (23), реализованного на основе сетевого трансформатора на 220В. Сетевой фильтр (22) применяется как для подавления импульсных помех, поступающих от сети, так и для защиты самой сети от высокочастотных помех. В качестве резервного питания использован литий-ионный аккумулятор на +3,7 В (30), заряд которого осуществляет узел заряда аккумулятора (24). Зарядка осуществляется в режиме капельного заряда. Резервное питание используется на короткое время для передачи на диспетчерский пункт информации о пропадании сетевого питания и записи в энергонезависимую память (8) этой нештатной ситуации, а также сохранение в энергонезависимую память накопленной на данное время информации и для питания часов. Программно реализованные часы реального времени предназначены для привязки к дате и времени с точностью до секунды четырех Архивов, записываемых в энергонезависимую память. Переход на резервное питание осуществляет коммутатор (25) автоматически. Часы реального времени постоянно продолжают работать от резервного питания. После восстановления сетевого питания многофункциональный беспроводной контроллер самостоятельно восстанавливает связь и передает на диспетчерский пункт информацию о восстановлении сетевого питания и записывает эту же информацию в Архив нештатных ситуаций с привязкой к дате и времени. Датчик температуры (13) применяется для измерения температуры внутри корпуса многофункционального беспроводного контроллера. Интерфейс RS485 (3) предназначен для подключения внешних устройств с таким же интерфейсом, причем реализована возможность подключения по витой паре до 32 внешних приборов, удаленных на расстояние до 1200 м. Интерфейс USB (4) предназначен для подключения ноутбука, пульта-накопителя или флеш-карты, для осуществления считывания архивов и накопленных данных, для работы в режиме без использования Интернета и настройки самого МБК. GSM/GPRS-модуль (12) с антенной (28) предназначен для непрерывной двухсторонней связи с диспетчерским пунктом через Интернет.
Многофункциональный беспроводной контроллер работает следующим образом. Вначале производится настройка: в держатель SIM-карты GSM/GPRS-модуля (12) устанавливается SIM-карта, многофункциональный беспроводной контроллер через USB-интерфейс (4) подключается к компьютеру, через который в многофункциональный беспроводной контроллер записываются IP-адрес и порт сервера, драйвера с протоколами связи обслуживаемых приборов и другие параметры, к которым относятся, в том числе, интервал опроса, т.е. интервал времени, по истечении которого на сервер передается вся информация. Интервал опроса устанавливается от 3 минут до 5 минут. А также записываются режимы работы МБК: пользователь в зависимости от задачи решает, получать информацию в режиме реального времени, раз в сутки или раз в 10 суток, использовать сеть Интернет или нет и т.д.
На месте установки к многофункциональному беспроводному контроллеру через клеммные колодки (2, 5, 14, 15, 26, 27, 28, 29) подключаются входные и выходные сигналы для сбора информации и управления. К клеммной колодке (21) подключается сетевой кабель ~220 В. Сразу после включения сетевого питания многофункциональный беспроводной контроллер устанавливает через систему GPRS и Интернет связь с сервером и поддерживает связь непрерывно. Через промежутки времени согласно интервала опроса вся полученная и обработанная информация передается на сервер и параллельно копируется в соответствующих четырех Архивах. В случае поступления сигнала от датчиков охранной сигнализации эта информация передается немедленно на сервер независимо от установленного интервала опроса. В случае отсутствия связи с сервером МБК продолжает работать в автономном режиме, записывая текущие значения, суточные, нештатные ситуации и измеренные значения аналоговых сигналов (токов) в соответствующие четыре Архива в энергонезависимой памяти (6, 7, 8, 9), а при возобновлении связи содержимое всех четырех Архивов могут быть сосчитаны по команде из сервера и Архивы могут быть очищены. В процессе работы пользователь в любое время имеет возможность с сервера опросить и поменять все установленные в процессе настройки параметры в многофункциональном беспроводном контроллере.
На рисунке 2 представлена структурная схема системы диспетчеризации, организованной на основе многофункционального беспроводного контроллера. В удаленных местах, где расположены объекты, предназначенные для контроля и управления, устанавливаются многофункциональные беспроводные контроллеры (1). К интерфейсу RS485 (29) многофункционального беспроводного контроллера подключаются устройства с интерфейсом RS485, такие, как счетчики электроэнергии (30), теплосчетчики или счетчики расхода воды, расхода газа, ПТН-3 с токовыми датчиками от 0 до 100 Ампер, например, для измерения токов трех фаз электродвигателя насоса скважины с соответствующим интерфейсом и т.д. (31), соединенные с первичными приборами (32), расположенными в радиусе 1200 м до 32 штук.
Ко входам (33) подключаются датчики охранной сигнализации, другие дискретные сигналы, к шестому дискретному каналу можно подключить датчик с частотным выходом, такой, как вихревой электромагнитный преобразователь сигнала (ВЭПС) расхода жидкости, датчики со стандартными токовыми выходами (0-20 мА), такие, как датчики давления, уровня и температуры. К выходам управления внешними объектами (34) подключаются до четырех объектов, предназначенных для управления путем релейной коммутации. Многофункциональные беспроводные контроллеры через систему GPRS и Интернет соединены с сервером (39). Передача информации между многофункциональным беспроводным контроллером и сервером осуществляется на основе протокола TCP/IP. На диспетчерском пункте расположен компьютер, подключенный с Интернет.
1. Многофункциональный беспроводной контроллер, содержащий микропроцессор, обеспечивающий обработку полученной информации с внешних объектов, перевод информации в цифровой код, запись в четыре независимых Архива энергонезависимой памяти согласно периоду архивирования и по запросу от сервера передачи ее по беспроводной связи, программную реализацию функции часов реального времени, функцию установки интервала архивирования кратно 5 минутам, но не более 60 минут, по истечении которого будут записываться в четыре независимых архива и передаваться на сервер, управление и контроль GSM/GPRS-модулем и энергонезависимой памятью емкостью 2 Мбайта для хранения четырех независимых архивов, интерфейсом USB, интерфейсом RS485 для подключения внешних устройств, GSM/GPRS-модулем с антенной для непрерывной двухсторонней связи с диспетчерским пунктом через сервер, узлами управления внешними объектами для реализации управления четырьмя внешними объектами, узлом согласования входных дискретных сигналов шести гальванически развязанных каналов для получения информации о состоянии внешних объектов, в том числе с датчиков охранной сигнализации, измерение и обработку токовых сигналов по четырем каналам в диапазоне от 0,000 Ампер до 0,020 Ампер, отключение питания от GSM/GPRS-модуля на 9 минут, программное включение и выключение управляющих реле по заданному гибкому алгоритму, установку разных режимов работы в сети Интернет - непрерывный опрос архивов раз в сутки, раз в 10 дней, без использования сети Интернет - считывание архивов и накопленных данных через USB-интерфейс, обеспечение автономной работы МБК независимо от наличия связи с сервером при 5 минутном интервале архивирования до 1,7 месяцев, при увеличении интервала архивирования кратно 5 минут автономная работа тоже кратно увеличивается.
2. Многофункциональный беспроводной контроллер по п. 1 отличается тем, что выполнен с возможностью подключения к нему по интерфейсу RS485 ПТН-3 для измерения токов трех фаз электродвигателей А, В, С до 100 Ампер по трем гальванически развязанным каналам.
3. Многофункциональный беспроводной контроллер по п. 1 отличается тем, что интерфейс USB предназначен для считывания четырех независимых архивов и накопленных данных и для работы в автономном режиме, а также для подключения многофункционального беспроводного контроллера к компьютеру для осуществления настройки.
4. Многофункциональный беспроводной контроллер по п. 1 отличается тем, что может работать автономно без использования сети Интернет.
5. Многофункциональный беспроводной контроллер по п. 1 отличается тем, что на диспетчерский пункт передает все нештатные события, возникающие при обмене информацией с подключенными внешними к МБК датчиками и приборами, установленными на контролируемых объектах.
6. Многофункциональный беспроводной контроллер по п. 1 отличается тем, что микропроцессор постоянно контролирует состояние связи с сервером и при возникновении критической ситуации отключает питание GSM/GPRS-модуля на 9 минут, выполняя все остальные функции без всякого ущерба, по истечении 9 минут связь восстанавливается.
7. Многофункциональный беспроводной контроллер по п. 1 отличается тем, что интервал архивирования устанавливается командой от диспетчерского пункта кратно 5 минутам: [5, 10, 15, 20 … 60], по истечении которого вся накопленная информация и нештатные ситуации записываются в четыре независимых архива и передаются на сервер.
