Мобильный метеокомплекс
Изобретение относится к средствам для проведения метеорологического мониторинга. Сущность: мобильный метеокомплекс содержит метеозонд, размещенный в термостойком корпусе, снабженном креплением для размещения метеозонда на беспилотном летательном аппарате. Метеозонд включает блок (1) питания на базе аккумуляторной батареи, соединенной с двумя формирователями (11, 12) напряжения, микроконтроллер (2), блок (3) датчиков, включающий датчик (31) температуры, влажности и давления, датчик (32) угарных газов, датчик (33) пыли и пыльцы и датчик (34) GPS координат и положения, аналоговый мультиплексор (4), внешнее запоминающее устройство (5), блок (6) передачи данных на приемную станцию и блок (7) индикации. Технический результат: повышение оперативности реагирования на меняющуюся обстановку в сложных условиях, расширение функциональных возможностей метеокомплекса, повышение точности измерений и возможность проведения измерений непосредственно в любой заданной точке. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области мониторинга окружающей среды и может найти свое применение для оценки окружающей среды в сложных условиях, в частности, в пожарных и спасательных службах.
Из уровня техники известны решения ряда производителей метеорологического оборудования, таких как Enterprise Electronics Corporation (ЕЕС), InterMet Systems, представляющие собой радио- и метеозонды, обладающие функциями сбора информации о различных параметрах (например, влажность, давление, температура и пр.) окружающей среды. К недостаткам этих решений можно отнести ограниченный радиус действия, большие временные затраты на обработку данных, невысокую точность. Кроме того, данные решения в большинстве представляют собой стационарные системы, не обладающие возможностью оперативного реагирования на изменения обстановки в случаях чрезвычайных ситуаций.
Из патентного уровня техники известно решение по патенту RU С1, 2078357 27.04.1997, представляющее собой систему экологического контроля окружающей среды, содержащую корпус с днищем, размещенные в корпусе блоки диагностики и управления, датчики температуры нагретого и холодного воздуха, измерительную аппаратуру для измерения загрязненности воздуха. Задачей известного решения является обеспечение стабильности характеристик измерительной аппаратуры в широком диапазоне изменения внешних воздействий. Известное решение, также как указанные выше аналоги, имеет низкий функционал по числу измеряемых параметров и не обладает возможностью мобильности, поскольку является стационарным комплексом.
Для повышения оперативности и радиуса действия (связанного с возможностью перемещения) метеокомплексов в уровне техники применяются решения, заключающиеся в выполнении метеокомплексов в виде переносных изделий.
Например, решение по патенту RU 2251128 С1, 27.04.2005 представляет собой переносную комплексную метеостанцию, содержащую термостатированный корпус с размещенной внутри него измерительной, микропроцессорной и передающей аппаратурой, а также метеодатчики. Задачей известного решения является создание переносной комплексной метеостанции с возможностью измерять количество осадков и передавать информацию. Вместе с тем, известное решение также имеет низкий функционал по числу измеряемых параметров и не может быть оперативно использовано, например, в условиях пожаров при плотной застройке, на высоте, соответствующей высотным зданиям или при необходимости дальней дистанции перемещения.
Для повышения дальности перемещения в уровне техники используются решения, заключающиеся в совмещении оборудования метеокомплексов с самоходным шасси.
В частности, известны решения по патентам RU 2544297 С2, 20.03.2015; RU 69267 U1, 10.12.2007; RU 2475968 С1, 20.02.2013; RU 57021 U1, 27.09.2006, представляющие собой передвижные лаборатории или метеокомплексы, размещенные на базе специализированных транспортных средств. Использование транспортного средства позволяет включать в состав метеостанции расширенный набор оборудования, что расширяет функциональные возможности. Вместе с тем, такие решения обладают сложностью изготовления и высокой материалоемкостью, а также не позволяют обеспечить перемещение метеокомплекса в воздушном пространстве, например, для анализа параметров окружающей среды на требуемой высоте.
Предложенное изобретение направлено на преодоление недостатков уровня техники и при своем осуществлении позволяет обеспечить достижение технических результатов, заключающихся в повышении оперативности реагирования на меняющуюся обстановку в сложных условиях, расширение функциональных возможностей метеокомплекса, повышенной точностью измерений и возможностью проводить измерения непосредственно в любой заданной точке (также в очаге пожара).
Для достижения указанных выше, а также иных следующих из описания технических результатов в предпочтительном варианте осуществления предлагается мобильный метеокомплекс, содержащий размещенный в термостойком корпусе метеозонд, причем корпус снабжен креплением для размещения метеозонда на беспилотном летательном аппарате, а метеозонд включает в своем составе блок питания на базе аккумуляторной батареи, соединенной с двумя формирователями напряжения +3,3 В и +5 В, микроконтроллер на базе ATmega328P, блок датчиков, включающий датчик температуры, влажности и давления, датчик угарных газов, датчик пыли и пыльцы и датчик GPS координат и положения, аналоговый мультиплексор, внешнее запоминающее устройство, блок передачи данных диапазона ISM для передачи данных на приемную станцию и блок индикации, при этом формирователь напряжения +3,3 В связан по напряжению с микроконтроллером, датчиком температуры, влажности и давления, датчиком GPS координат и положения, внешним запоминающим устройством, блоком передачи данных диапазона ISM, формирователь напряжения +5 В связан по напряжению с датчиком угарных газов, датчиком пыли и пыльцы, а микроконтроллер связан с блоком индикации, а также: по интерфейсу SPI - с внешним запоминающим устройством и с блоком передачи данных по радиоканалу, по интерфейсу I2C - с датчиком температуры, влажности и давления, по каналу ADC - с датчиком угарных газов, по интерфейсу UART - через аналоговый мультиплексор с датчиком пыли и пыльцы и датчиком GPS координат и положения.
В следующем разделе описания представлены подробные сведения в отношении осуществления предложенного изобретения.
Для более полного понимания сущности изобретения описание дополнено отсылками на поясняющие чертежи, согласно которым представлены:
фиг. 1 - функциональная схема метеозонда;
фиг. 2 - общий вид корпуса метеозонда;
фиг. 3 - метеозонд в сборе (указаны основные элементы).
Предлагаемый мобильный метеорологический комплекс для оперативного мониторинга окружающей среды может использоваться как локально, с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА), так и стационарно, представляя собой элемент P2P (peer-to-peer) сети.
Комплекс представляет собой систему из трех взаимодействующих между собой составляющих: метеозонд, БПЛА (для случая локального мониторинга) и приемную станцию. Передача данных от метеозонда может осуществляться как на отдельную наземную приемную станцию, так и на станцию, совмещенную с пультом управления БПЛА.
Согласно фиг. 1 метеозонд, входящий в состав предложенного комплекса, содержит блок питания (01), выполненный на базе аккумуляторной батареи. Для формирования питающих напряжений в блоке питания выполнены формирователи напряжения + 3,3 В (11) и + 5 В (12). В качестве таких формирователей могут быть использованы стабилизаторы напряжения LD1117S33CTR (для 3,3 В) и L7805ABV (для 5 В).
Изобретение работает следующим образом.
Формирователи напряжения обеспечивают энергией соответствующие элементы устройства, к которым, согласно фиг. 1, относятся: микроконтроллер (02), предпочтительно выполненный на микросхеме ATmega328P-AU, TQFP-32; блок датчиков (03), содержащий совокупность средств измерения - датчик температуры, влажности и давления (31), датчик угарных газов (32), датчик пыли и пыльцы (33), датчик GPS координат и положения (34); аналоговый мультиплексор (04); внешнее запоминающее устройство (05); блок передачи данных диапазона ISM (06); блок индикации (07).
Микроконтроллер выполняет основную роль в работе изделия и предназначен для выполнения необходимых для функционирования метеокомплекса функций, как это будет показано далее.
Блок датчиков предназначен для измерения таких параметров, как атмосферная температура, относительная влажность воздуха, атмосферное давление, концентрация угарных газов, концентрация пыли и пыльцы, а также GPS параметров и передачи информации на микроконтроллер. Микроконтроллер осуществляет управление блоком датчиков, а также прием и обработку поступающих от блока датчиков данных.
Для обмена данными с внешними периферийными устройствами (например, с внешним запоминающим устройством и передающим устройством) микроконтроллер имеет аппаратную поддержку протоколов обмена (интерфейсы) SPI, I2C, USART, а также встроенный ADC микроконтроллера.
Как известно из уровня техники, UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter - универсальный асинхронный приемопередатчик), представляет собой интерфейс для связи цифровых устройств, предназначенный для передачи данных последовательным кодом. Передача данных по UART протоколу осуществляется побитно в равные промежутки времени. Этот промежуток времени задается скоростью в бодах. По UART интерфейсу master (ведущее) устройство общается со slave (ведомыми, в данном случае - периферийными) устройствами по линиям RX (вход - received data) и TX (выход - transmitted data).
I2C (IIC - Inter-Integrated Circuit) - сетевой последовательный интерфейс, последовательная асимметричная шина для связи между интегральными схемами. Также имеет название TWI (Two Wire Interface). I2C интерфейс применяется для соединения низкоскоростных периферийных устройств с процессорами и микроконтроллерами (например, на материнских платах, во встраиваемых системах, в мобильных телефонах). Для передачи данных используются две двунаправленные линии связи: провод данных SDA (Serial Data) и провод тактов SCL (Serial Clock). Устройства, подключенные по данной линии связи, подразделяются на ведущий (master) и ведомый (slave). Master запускает процесс передачи данных и генерирует тактовые импульсы по линии SCL, slave принимает команды и данные, а также выдает данные по запросу ведущего Всего на одной двухпроводной шине может быть до 127 устройств.
SPI (Serial Peripheral Interface) - это последовательный периферийный интерфейс, синхронная четырехпроводная шина. Интерфейс подразумевает синхронизированную с тактовым импульсом передачу данных. Устройства, сопрягаемые по протоколу SPI, так же, как и в протоколе I2C, можно разделить на ведущее устройство (master - микроконтроллер) и ведомое устройство (slave - датчик). К одному ведущему можно подключить множество ведомых и выбирать нужного ведомого с помощью линии 
(или CS (Chip Select, Slave Select) - выбор ведомого) Периферия, не выбранная ведущим устройством, не принимает участия в передаче по шине SPI. При подаче импульсов синхронизации на выход SCLK (или SCK (Serial Clock) - последовательный тактовый сигнал), данные выталкиваются ведущим с выхода MOSI (Master Out Slave In - выход ведущего, вход ведомого), и захватываются ведомым по входу MISO (Master In Slave Out - вход ведущего, выход ведомого).
ADC (Analog-to-digital converter) - аналогово-цифровой преобразователь, устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в двоичный цифровой код. Большинство микроконтроллеров семейства AVR имеют встроенный 10-битный 8-канальный АЦП. Разрядность 10 бит означает, что каждый входной аналоговый сигнал представляется 210 = 1024 уровнями дискретного сигнала. Аналоговые датчики на выходе имеют непрерывный выходной сигнал, для снятия которого необходимо использовать аналого-цифровой преобразователь, после чего необходимо произвести преобразования значения АЦП в формат измеряемой величины.
Использование в предложенном решении интерфейсов, обеспечивающих расширенную поддержку множества периферийных устройств, позволяет при необходимости осуществлять масштабирование метеозонда, дополнительно расширяя или изменяя его функциональные возможности в зависимости от решаемых задач.
Датчик температуры, влажности и давления управляется микроконтроллером по протоколу I2C и требует напряжения питания +3,3 В. Датчик угарных газов является аналоговым, напряжение питания +5 В. Датчик пыли и пыльцы и модуль GPS сообщаются с микроконтроллером с помощью UART интерфейса и имеют напряжение питания +3,3 В. Так как микроконтроллер имеет одну пару выводов UART интерфейса, то для развязки и управления двух модулей по одному UART протоколу в предложенном решении используется мультиплексор, через который датчики соединены с микроконтроллером. Мультиплексор представляет собой комбинированное цифровое устройство, обеспечивающее поочередную передачу на один выход нескольких входных сигналов. Информационный вход выбирается с помощью адресных входов. Мультиплексор также управляется микроконтроллером для переключения между датчиками. При этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов на адресные входы.
Разъем для подключения датчика температуры влажности и давления имеет выводы I2C интерфейса, по которому микроконтроллер обменивается информацией с датчиком. Большинство датчиков угарных газов являются аналоговыми, то есть выдают измеряемую информацию в виде уровня напряжения. Обработка результата измерения осуществляется на встроенном в микроконтроллер АЦП. Поэтому разъем для подключения датчика угарных газов имеет вывод ADC, который подключен к АЦП микроконтроллера.
Блок внешнего запоминающего устройства и блок передачи по радиоканалу сопрягаются с микроконтроллером по SPI интерфейсу и требуют напряжения питания +3,3 В. Таким образом, микроконтроллер обеспечивает трансляцию принятых данных в блок передачи данных по радиоканалу, а также передачу и запись данных во внешнее запоминающее устройство (SD-карту). Наличие в предложенном устройстве внешнего накопителя позволяет обеспечить запись и сохранение собираемой информации даже в случае недоступности линий связи беспроводного канала передачи информации.
Блок индикации представляет собой группу светодиодов, которые индицируют правильную работу программы, запись на внешнее запоминающее устройство и передачу данных по радиоканалу. Питание светодиодного блока индикации может осуществляться соответствующим уровню техники образом от блока питания микроконтроллера. Таким образом, микроконтроллер обеспечивает управление блоком индикации, что может быть использовано для тестирования и отладки работы устройства.
Для возможности оптимизации ПО и перепрограммирования устройства используется разъем программирования, который имеет выводы SPI интерфейса. Данная функция может быть применена, например, в случае изменения аппаратного состава блока датчиков метеозонда, а также изменении программного обеспечения.
В качестве блока передачи информации по радиоканалу на приемную станцию в предпочтительном варианте осуществления может быть использован nRF905 - высокоинтегрированный, малопотребляющий, многочастотный радио трансивер для беспроводной связи в диапазонах 433/868/915 МГц ISM (Industrial, Scientific and Medical). Таким образом, под термином «передающее устройство» в предложенном решении следует понимать также и приемопередающее устройство.
На фиг. 2 представлена модель общего вида помещаемых в корпус элементов метеозонда. Габаритные размеры составных частей изделия позволяют разместить их в цилиндрическом корпусе, на одной из торцевых стенок которого выполнен крепежный элемент, позволяющий осуществить размещение метеозонда на БПЛА в целях реализации функции локального измерения. В случае стационарного использования, указанный выше трансивер из состава радиозонда позволяет обеспечить функционирование Р2Р сети с приемом и передачей данных измерений от и в другие устройства - элементы такой сети.
В качестве основных элементов устройства, указанных на фиг. 3, могут быть использованы известные из уровня техники модули, а именно, датчик температуры, влажности и давления (300) - модуль BME280; датчик пыли и пыльцы (310) - модуль PMS7003; внешний накопитель (320) - SD-карта; радио-модуль (330) - модуль nRF905; GPS-модуль (340) - модуль VK2828U7G5LF; датчик угарного газа (350) - модуль CO FRG TGS2442; микроконтроллер (360) - чип Atmega328P; разъем программирования (370) - например, разъем с интерфейсом конвертера USB-SPI для подключения внешнего устройства и программирования микроконтроллера.
Необходимо отметить, что указанный выше вариант осуществления представлен в иллюстративных целях и не предназначен для сужения объема испрашиваемой правовой охраны. Для специалиста будет понятно, что отмеченные модули могут быть заменены на любые известные из уровня техники функционально аналогичные модули, в том числе, совмещающие в одном модуле одну или несколько перечисленных выше функций.
В иллюстративном варианте корпус в форме цилиндра содержит несущую раму, на которой закрепляются печатные платы с соответствующими блоками (модулями) метеозонда. Соединение элементов для передачи питания и информации осуществляется обычным для данной области техники способом.
В предпочтительном варианте, корпус метеозонда выполнен в термостойком исполнении, что может быть использовано при измерениях непосредственно в любой заданной точке, в частности, в очаге пожара. Например, но не ограничиваясь этим, торцевые стенки корпуса могут быть выполнены из металла, совмещающего свойство термостойкости, а также теплопроводности для обеспечения теплоотведения от элементов устройства. Кроме того, в устройстве может быть дополнительно применена пассивная система охлаждения или активная система охлаждения, питание которой будет осуществляться от блока питания. Поверхность цилиндра (не показано на фиг. 2, усматривается на фиг. 3), в том числе для снижения веса устройства, может быть выполнена, например, из термостойких пластиков, таких как фторопласты и полиамиды, а также ниплон. В корпусе могут быть выполнены специализированные отверстия для доступа воздуха из окружающей среды в целях проведения соответствующих измерений. В дополнительных вариантах осуществления корпус устройства может быть выполнен таким образом, чтобы обеспечивать влаго- и пылезащиту размещенного в нем оборудования. Для повышения легкости обнаружения метеозонда в сложных погодных или техногенных условиях часть или весь его корпус может быть покрыт светоотражающим и/или люминесцентным покрытием. Кроме того, в варианте осуществления для повышения достоверности получения данных один или несколько датчиков из состава блока датчиков могут быть выведены и/или закреплены на внешней поверхности корпуса. Для датчиков, располагаемых внутри корпуса, в конструкции корпуса дополнительно может быть применена активная или пассивная система забора воздуха, например, в виде выполненных в стенке корпусе отверстий или закрепленного на корпусе патрубка, направляющего поток воздуха к соответствующим сенсорным элементам, расположенным внутри корпуса. В таком случае забор воздуха может осуществляться естественным путем при перемещении метеозонда в пространстве или нагнетаться внутрь корпуса вентилятором, установленным около отверстий внутри корпуса или в патрубке.
Указанное выше показывает, что предложенное решение позволяет обеспечить оперативность реагирования на меняющуюся обстановку в сложных условиях (в частности, за счет обеспечения возможности размещения метеозонда на БПЛА с передачей текущей информации по радиоканалу на наземную станцию), расширение функциональных возможностей метеокомплекса с повышенной точностью измерений за счет применения в составе метеозонда указанной совокупности средств измерения, возможностью проводить измерения непосредственно в любой заданной точке (в частности, при размещении метеозонда на БПЛА и выполнения корпуса термостойким), возможностью использовать устройство в мобильном или стационарном вариантах, возможностью масштабирования функционального наполнения изделия.
В процессе разработки технического решения был изготовлен и испытан в условиях, близких к реальным, опытный образец изделия, а также разработано программное обеспечение для осуществления управления комплексом. Результаты испытаний показали высокую эффективность применения комплекса в условиях плотной застройки, широкий температурный диапазон работы, надежность при сборе и передаче информации.
Таким образом, предложенное изобретение может быть осуществлено специалистом в данной области техники, имеет существенные отличия от представленных в уровне техники аналогов и позволяет обеспечить достижение указанных выше технических результатов.
1. Мобильный метеокомплекс, содержащий размещенный в термостойком корпусе метеозонд, причем корпус снабжен креплением для размещения метеозонда на беспилотном летательном аппарате, а метеозонд включает в своем составе блок питания на базе аккумуляторной батареи, соединенной с двумя формирователями напряжения +3,3 В и +5 В, микроконтроллер на базе АТmega328P, блок датчиков, включающий датчик температуры, влажности и давления, датчик угарных газов, датчик пыли и пыльцы и датчик GPS координат и положения, аналоговый мультиплексор, внешнее запоминающее устройство, блок передачи данных диапазона ISM для передачи данных на приемную станцию и блок индикации, при этом формирователь напряжения +3,3 В связан по напряжению с микроконтроллером, датчиком температуры, влажности и давления, датчиком GPS координат и положения, внешним запоминающим устройством, блоком передачи данных диапазона ISM, формирователь напряжения +5 В связан по напряжению с датчиком угарных газов, датчиком пыли и пыльцы, а микроконтроллер связан с блоком индикации, а также связан: по интерфейсу SPI - с внешним запоминающим устройством и с блоком передачи данных по радиоканалу, по интерфейсу I2C - с датчиком температуры, влажности и давления, по каналу ADC - с датчиком угарных газов, по интерфейсу UART - через аналоговый мультиплексор с датчиком пыли и пыльцы и датчиком GPS координат и положения.
2. Мобильный метеокомплекс по п. 1, отличающийся тем, что корпус метеозонда дополнительно выполнен влаго- и пылезащищенным и/или содержит активную или пассивную систему забора воздуха.
3. Мобильный метеокомплекс по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что метеозонд дополнительно оснащен разъемом программирования для программирования микроконтроллера.
