RU213489U1

RU213489U1 - Adaptive device for data transmission of technological processes in the conditions of network self-organization

Info

Publication number: RU213489U1
Application number: RU2022108922U
Authority: RU
Inventors: Антон Константинович Пащенко
Filing date: 2022-04-05
Publication date: 2022-09-14

Abstract

Полезная модель относится к области автоматики, в частности к устройствам беспроводного обмена информации, позволяет обеспечить передачу данных в условиях отсутствия покрытия мобильных GSM сетей.The utility model relates to the field of automation, in particular to devices for wireless information exchange, allows for data transmission in the absence of coverage of mobile GSM networks.

Технический результат заключается в увеличении радиуса, скорости передачи данных, исключении нестабильностей, возникающих по причине одновременного выхода устройств в радиоэфир на одной радиочастоте.The technical result consists in increasing the radius, data transfer rate, and eliminating instabilities that arise due to the simultaneous release of devices on the air at the same radio frequency.

Технический результат достигается за счет использования двух радиоканалов с центральной частотой в диапазоне 866-868 МГц и программного обеспечения микроконтроллера, предусматривающего одновременную работу устройства как в режиме сбора и передачи данных, так и в режиме ретранслятора, что позволяет организовать работу в сетях с ячеистой структурой с неполным покрытием - MESH-сетях, обеспечивая масштабируемость сети устройств телеметрии без внедрения дополнительных объектов сети. Использование двух радиомодулей позволяет в два раза увеличить скорость обмена данными между участниками сети без негативного влияния на дальность связи. Для взаимодействия с различными устройствами регистрации параметров технологических процессов в полезной модели реализована возможность подключения периферийных устройств с использование цифровых интерфейсов UART, SPI, RS458. Для приема показаний аналоговых датчиков предусмотрен интерфейс токовой петли 4-20 мА.

The technical result is achieved through the use of two radio channels with a center frequency in the range of 866-868 MHz and microcontroller software, which provides for the simultaneous operation of the device both in the mode of collecting and transmitting data, and in the repeater mode, which allows organizing work in networks with a cellular structure with incomplete coverage - MESH networks, providing scalability of the network of telemetry devices without the introduction of additional network objects. The use of two radio modules allows you to double the speed of data exchange between network participants without negatively affecting the communication range. To interact with various devices for recording process parameters, the utility model implements the ability to connect peripheral devices using UART, SPI, RS458 digital interfaces. A 4-20 mA current loop interface is provided to receive readings from analog sensors.

Description

Известно решение, считыватель телеметрии, включающее в себя набор проводных - SPI, I2C, CAN, LAN, RS-485, RS-232 и беспроводных - IrDA, RFID, Bluetooth, WiFi интерфейсов для считывания показаний регистраторов параметров различного типа с возможностью сохранения данных на съемное энергонезависимое запоминающее устройство [патент РФ на полезную модель RU 188508].A solution is known, a telemetry reader, which includes a set of wired - SPI, I2C, CAN, LAN, RS-485, RS-232 and wireless - IrDA, RFID, Bluetooth, WiFi interfaces for reading readings of various types of parameter recorders with the ability to save data on removable non-volatile storage device [RF patent for utility model RU 188508].

Недостатком приведенной полезной модели является отсутствие беспроводного канала связи передачи телеметрии от считывателя на рабочее место оператора, что исключает возможность мониторинга параметров в режиме реального времени.The disadvantage of this utility model is the absence of a wireless communication channel for transmitting telemetry from the reader to the operator's workplace, which excludes the possibility of monitoring parameters in real time.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является модуль бесперебойной передачи цифровых данных от устройств контроля и мониторинга транспортного средства в условиях недостаточного покрытия сотовой связи GSM, радиоприемопередатчик с диапазоном рабочих частот 434 МГц и 864 МГц с радиусом действия до 600 метров [патент РФ на полезную модель RU 204906].The closest analogue of the claimed utility model is a module for uninterrupted transmission of digital data from vehicle control and monitoring devices in conditions of insufficient coverage of GSM cellular communications, a radio transceiver with an operating frequency range of 434 MHz and 864 MHz with a range of up to 600 meters [RF patent for utility model RU 204906 ].

Модуль бесперебойной передачи цифровых данных от устройств контроля и мониторинга транспортного средства в условиях недостаточного покрытия сотовой связи GSM, включающий в себя корпус, в котором размещена печатная плата, на которой расположен управляющий микроконтроллер, дополнительно содержит GSM/GPRS модем с двумя SIM картами с возможностью выбора оператора связи и внешней антенной, который соединен по последовательному интерфейсу UART1 с микроконтроллером, GPS приемник с внутренней антенной, соединенный по интерфейсу UART2 с микроконтроллером, радиоприемопередатчик с диапазоном рабочих частот 434 МГц и 864 МГц с внешней антенной, соединенный по интерфейсу UART3 с микроконтроллером, Bluetooth модуль, соединенный по интерфейсу UART4 с микроконтроллером, устройство хранения данных на базе SD card объемом не менее 2 Гб, соединенный по периферийному последовательному интерфейсу SPI с микроконтроллером, кроме того, микроконтроллер имеет аналоговый вход с рабочим напряжением от 0 до 36 вольт, цифровой вход от 0 до 36 вольт, частотный вход 0-1000 Гц, импульсный вход с рабочим напряжением в диапазоне от 0 до 36 вольт, СОМ-порты RS485 и RS232.Module for uninterrupted transmission of digital data from vehicle control and monitoring devices in conditions of insufficient GSM cellular coverage, including a housing in which a printed circuit board is located, on which the control microcontroller is located, additionally contains a GSM / GPRS modem with two SIM cards with a choice of communication operator and an external antenna, which is connected via the UART1 serial interface to the microcontroller, a GPS receiver with an internal antenna connected via the UART2 interface to the microcontroller, a radio transceiver with an operating frequency range of 434 MHz and 864 MHz with an external antenna, connected via the UART3 interface to the microcontroller, Bluetooth a module connected via UART4 interface with a microcontroller, a data storage device based on SD card with a capacity of at least 2 GB, connected via a peripheral SPI serial interface with a microcontroller, in addition, the microcontroller has an analog input with an operating voltage of 0 to 36 volts o, digital input from 0 to 36 volts, frequency input 0-1000 Hz, pulse input with operating voltage in the range from 0 to 36 volts, RS485 and RS232 COM ports.

Основными недостатками рассмотренного решения является малый радиус действия, что требует непосредственной близости базовой станции, и малая вариативность интерфейсов связи, что ограничивает количество возможных подключенных устройств.The main disadvantages of the considered solution are the short range, which requires the close proximity of the base station, and the low variability of communication interfaces, which limits the number of possible connected devices.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении радиуса и скорости передачи данных. The technical result of the claimed utility model is to increase the radius and speed of data transfer.

Технический результат достигается за счет использования двух радиоканалов с центральной частотой в диапазоне 866-868 МГц и программного обеспечения микроконтроллера, предусматривающего одновременную работу устройства как в режиме сбора и передачи данных, так и в режиме ретранслятора, что позволяет организовать работу в сетях с ячеистой структурой с неполным покрытием - MESH-сетях, обеспечивая масштабируемость сети устройств телеметрии без внедрения дополнительных объектов сети. Использование двух радиомодулей позволяет в два раза увеличить скорость обмена данными между участниками сети без негативного влияния на дальность связи. The technical result is achieved through the use of two radio channels with a center frequency in the range of 866-868 MHz and the microcontroller software, which provides for the simultaneous operation of the device both in the mode of collecting and transmitting data, and in the repeater mode, which allows organizing work in networks with a cellular structure with incomplete coverage - MESH networks, providing scalability of the network of telemetry devices without the introduction of additional network objects. The use of two radio modules allows you to double the speed of data exchange between network participants without negatively affecting the communication range.

Для взаимодействия с различными устройствами регистрации параметров технологических процессов в полезной модели реализована возможность подключения периферийных устройств с использованием цифровых интерфейсов UART, SPI, RS458. Для приема показаний аналоговых датчиков предусмотрен интерфейс токовой петли 4-20 мА.To interact with various devices for recording process parameters, the utility model implements the ability to connect peripheral devices using UART, SPI, RS458 digital interfaces. A 4-20 mA current loop interface is provided to receive readings from analog sensors.

На фиг. 1 изображена блок-схема адаптивного устройства передачи данных технологических процессов в условиях самоорганизации сети, выполненного на единой печатной плате, которая может быть размещена в стандартных корпусах D3MG, что позволяет установить готовое изделия на DIN-рейку. Техническое решение состоит из управляющего микроконтроллера 1, цифровые выходы которого соединены с приемопередающими радиомодулями 2 и 8, блоком связи с внешними устройствами 14, состоящим из трёх цифровых блоков, таких как блок дифференциальной линии связи RS485 15, блок связи UART 16, блок связи SPI 17, и одного аналогового блока токовой петли 18, блоком индикации обмена данных по радиоканалу 19, блоком индикации обмена данных по линиям связи 20. Приемопередающий модуль 2 соединен с первым антенно-фидерным трактом 3, при этом выход приемопередающего модуля подключен к блоку фильтрации выходного сигнала 4, соединенного с блоком переключения приемопередающего тракта 5, один из выходов которого подключен к антенне 7, а другой выход соединен с блоком фильтрации входного сигнала 6, выход которого подключен ко входу приемопередающего модуля 2. Приемопередающий модуль 8 соединен со вторым антенно-фидерным трактом 9, при этом выход приемопередающего модуля подключен к блоку фильтрации выходного сигнала 10, соединенного с блоком переключения приемопередающего тракта 11, один из выходов которого подключен к антенне 13, а другой выход соединен с блоком фильтрации входного сигнала 12, выход которого подключен к приемопередающему модулю 8.In FIG. 1 shows a block diagram of an adaptive device for transmitting data of technological processes in a self-organizing network, made on a single printed circuit board, which can be placed in standard D3MG cases, which allows you to install the finished product on a DIN rail. The technical solution consists of a control microcontroller 1, the digital outputs of which are connected to transceiver radio modules 2 and 8, a communication unit with external devices 14, consisting of three digital blocks, such as a differential RS485 communication line block 15, a UART communication block 16, a SPI communication block 17 , and one analog block of the current loop 18, a block for indicating data exchange over a radio channel 19, a block for indicating data exchange over communication lines 20. The transceiver module 2 is connected to the first antenna-feeder path 3, while the output of the transceiver module is connected to the output signal filtering block 4 connected to the switching unit of the transceiver path 5, one of the outputs of which is connected to the antenna 7, and the other output is connected to the input signal filtering unit 6, the output of which is connected to the input of the transceiver module 2. The transceiver module 8 is connected to the second antenna-feeder path 9, at the same time, the output of the transceiver module is connected to the output filtering unit one signal 10 connected to the switching unit of the transceiver path 11, one of the outputs of which is connected to the antenna 13, and the other output is connected to the input signal filtering unit 12, the output of which is connected to the transceiver module 8.

Адаптивное устройство передачи данных технологических процессов в условиях самоорганизации сети работает следующим образом: микроконтроллер 1 задает центральную частоту работы приемопередающих модулей 2 и 8 в диапазоне от 866 до 868 МГц, с полосой от 62,5 кГц до 500 кГц. Приемопередающие модули 2 и 8 могут быть настроены как на одну частоту, так и на разные с минимальным шагом, равным 62,5 кГц. The adaptive device for data transmission of technological processes in the conditions of network self-organization operates as follows: the microcontroller 1 sets the central frequency of the transceiver modules 2 and 8 in the range from 866 to 868 MHz, with a band from 62.5 kHz to 500 kHz. Transceiver modules 2 and 8 can be tuned to the same frequency or to different ones with a minimum step of 62.5 kHz.

Микроконтроллер 1 получает полезные данные из блока связи с внешними устройствами 14, а именно либо из блока дифференциальной линии связи RS485 15, либо из блока связи UART 16, либо из блока связи SPI 17, либо из блока токовой петли 18, одновременно с этим сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по линиям связи 20. Полученные данные обрабатываются в микроконтроллере 1, определяется канал передачи информации. В случае выбора первого канала передачи данных информация с выхода микроконтроллера 1 передается на вход радиомодуля 2, где происходит их преобразование, и частотно-модулированный сигнал с выхода радиомодуля 2 поступает на вход антенно-фидерного тракта 3. Где сигнал с блока фильтрации выходного сигнала 4 поступает на вход блока переключения приемопередающего тракта 5, который настроен на передачу сигнала от блока фильтрации выходного сигнала 4 к антенне 7. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 19.The microcontroller 1 receives useful data from the communication unit with external devices 14, namely, either from the RS485 differential communication line block 15, or from the UART communication unit 16, or from the SPI communication unit 17, or from the current loop unit 18, at the same time signals about data transmission by accessing the data exchange indication unit via communication lines 20. The received data is processed in the microcontroller 1, the information transmission channel is determined. If the first data transmission channel is selected, the information from the output of the microcontroller 1 is transmitted to the input of the radio module 2, where they are converted, and the frequency-modulated signal from the output of the radio module 2 is fed to the input of the antenna-feeder path 3. Where the signal from the output signal filtering unit 4 is received to the input of the switching unit of the transceiver path 5, which is configured to transmit a signal from the output signal filtering unit 4 to the antenna 7. At the same time, the microcontroller 1 signals the data transfer by referring to the data exchange indication unit over the radio channel 19.

В случае получения радиосигнала антенной 7 сигнал по антенно-фидерному тракту 3, через блок переключения приемопередающего тракта 6, настроенный на передачу данных от антенны 8, поступает на блок фильтрации входного сигнала 7, с выхода которого поступает на вход радиомодуля 2, где преобразуется, и полезные данные поступают на вход микроконтроллера 1. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о получении данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 19. Принятая информация может быть отправлена на внешнее устройство путем передачи данных с выходов микроконтроллера на вход блока связи с внешними устройствами 14, а именно либо на блок дифференциальной линии связи RS485 15, либо на блок связи UART 16, либо на блок связи SPI 17, одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по линиям связи 20.In the case of receiving a radio signal by antenna 7, the signal through the antenna-feeder path 3, through the switching unit of the transceiver path 6, configured to transmit data from the antenna 8, enters the input signal filtering unit 7, from the output of which it enters the input of the radio module 2, where it is converted, and useful data is received at the input of the microcontroller 1. At the same time, the microcontroller 1 signals the receipt of data by accessing the data exchange indication unit over the radio channel 19. The received information can be sent to an external device by transmitting data from the microcontroller outputs to the input of the communication unit with external devices 14 , namely, either to the block of the differential communication line RS485 15, or to the UART communication block 16, or to the SPI communication block 17, at the same time, the microcontroller 1 signals the data transfer by referring to the data exchange indication block over the communication lines 20.

В случае, если после получения микроконтроллером 1 полезных данных с выходов блока связи с внешними устройствами 14 был определен второй канал для передачи информации, сформированные полезные данные передаются с выхода микроконтроллера 1 на вход радиомодуля 8, где происходит их преобразование, и частотно-модулированный сигнал с выхода радиомодуля 8 поступает на вход антенно-фидерного тракта 9. Где сигнал с блока фильтрации выходного сигнала 10 поступает на вход блока переключения приемопередающего тракта 11, который настроен на передачу сигнала от блока фильтрации выходного сигнала 10 к антенне 13. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 19.In the event that after the microcontroller 1 receives useful data from the outputs of the communication unit with external devices 14, a second channel for transmitting information was determined, the generated useful data is transmitted from the output of the microcontroller 1 to the input of the radio module 8, where they are converted, and a frequency-modulated signal with The output of the radio module 8 is fed to the input of the antenna-feeder path 9. Where the signal from the output signal filtering unit 10 is fed to the input of the switching unit of the transceiver path 11, which is configured to transmit a signal from the output signal filtering unit 10 to the antenna 13. At the same time, the microcontroller 1 signals on data transmission by referring to the data exchange indication unit over the radio channel 19.

В случае получения радиосигнала антенной 13 сигнал по антенно-фидерному тракту 9, через блок переключения приемопередающего тракта 11, настроенного на передачу данных от антенны 13, поступает на блок фильтрации входного сигнала 12, с выхода которого поступает на вход радиомодуля 8, где преобразуется, и полезные данные поступают на вход микроконтроллера 1. Одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о получении данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по радиоканалу 19. Принятая информация может быть отправлена на внешнее устройство путем передачи данных с выходов микроконтроллера на вход блока связи с внешними устройствами 14, а именно либо на блок дифференциальной линии связи RS485 15, либо на блок связи UART 16, либо на блок связи SPI 17, одновременно с этим микроконтроллер 1 сигнализирует о передаче данных путем обращения к блоку индикации обмена данных по линиям связи 20.In the case of receiving a radio signal by antenna 13, the signal through the antenna-feeder path 9, through the switching unit of the transceiver path 11, configured to transmit data from the antenna 13, enters the input signal filtering unit 12, from the output of which it enters the input of the radio module 8, where it is converted, and useful data is received at the input of the microcontroller 1. At the same time, the microcontroller 1 signals the receipt of data by accessing the data exchange indication unit over the radio channel 19. The received information can be sent to an external device by transmitting data from the microcontroller outputs to the input of the communication unit with external devices 14 , namely, either to the block of the differential communication line RS485 15, or to the UART communication block 16, or to the SPI communication block 17, at the same time, the microcontroller 1 signals the data transfer by referring to the data exchange indication block over the communication lines 20.

В реализуемой полезной модели в качестве управляющего микроконтроллера 1 используется 32-разрядный микроконтроллер STM32L151. В качестве приемопередающих модулей 2 и 8 использованы радиомодули SX1276. Блоки фильтрации выходного 4, 10 и входного 6, 12 сигналов представляют собой цепочку LC-фильтров с полосой пропускания 866-868 МГц. В качестве блоков переключения приемопередающих трактов 5 и 11 используется чип PE4259. Блок дифференциальной линии связи RS485 15 основан на базе микросхемы MAX485, блок связи UART 16 и блок связи SPI 17 реализованы за счет аппаратных средств микроконтроллера 1, блок токовой петли реализован за счет измерения встроенным в микроконтроллер 1 АЦП падения напряжения на резисторе постоянного сопротивления 150 Ом. Блок индикации обмена данных по радиоканалу 19 представляет собой двухцветный светодиод. Во время отправки данных приемопередающими модулями 2 и/или 8 светодиод моргает одним цветом, во время приема данных - другим, при отсутствии данных светодиод не горит. Блок индикации обмена данных по линии связи 20 представляет собой двухцветный светодиод. Во время отправки данных блоком дифференциальной линии связи RS485 15 и/или блоком связи UART 16 и/или блоком связи SPI 17 светодиод моргает одним цветом, во время приема данных - другим, при отсутствии данных светодиод не горит. При считывании данных блоком токовой петли 18 светодиод 20 моргает тем же цветом, что и в случае приема данных любых других блоков, входящих в состав блока связи с внешними устройствами 14.In the implemented utility model, a 32-bit microcontroller STM32L151 is used as a control microcontroller 1. SX1276 radio modules were used as transceiver modules 2 and 8. Blocks filtering output 4, 10 and input 6, 12 signals are a chain of LC filters with a bandwidth of 866-868 MHz. The PE4259 chip is used as switching blocks for transceiver paths 5 and 11. The RS485 differential communication line block 15 is based on the MAX485 chip, the UART communication block 16 and the SPI communication block 17 are implemented using the hardware of the microcontroller 1, the current loop block is implemented by measuring the voltage drop across the 150 Ohm constant resistance resistor built into the microcontroller 1 ADC. The data exchange indication unit over the radio channel 19 is a two-color LED. While sending data by transceiver modules 2 and/or 8, the LED blinks in one color, while receiving data - in another, in the absence of data, the LED is off. Block indication of data exchange over the communication line 20 is a two-color LED. While data is being sent by the RS485 differential communication line 15 and/or the UART 16 communication unit and/or the SPI communication unit 17, the LED blinks in one color, while data is being received, in another color, and if there is no data, the LED is off. When data is read by the current loop block 18, the LED 20 blinks in the same color as in the case of receiving data from any other blocks that are part of the communication block with external devices 14.

Claims

An adaptive device for transmitting data of technological processes in the conditions of a self-organizing network, including a housing in which a printed circuit board is located, on which a control microcontroller is located, characterized in that the digital outputs of the microcontroller are connected to two transceiver radio modules with a center frequency in the range of 866-868 MHz, a communication unit with external devices, including an RS485 differential communication line unit, an SPI communication unit, a UART communication unit, an analog communication unit using a current loop, units for indicating data exchange over a radio channel and a communication line, the first transceiver module is connected to the first antenna-feeder path, the output of this transceiver module is connected to the output signal filtering unit, the output of which is connected to the switching unit of the transceiver path, one of the outputs of which is connected to the antenna, and the other output is connected to the input signal filtering unit, the output of which is connected to the input of the first transceiver feeding module, the output of which is connected to the input of the microcontroller, which is connected to the second antenna-feeder path and the second transceiver module, while the output of this transceiver module is connected to the output signal filtering unit, the output of which is connected to the switching unit of the transceiver path, one of the outputs of which is connected to the antenna, and the other output is connected to the input signal filtering unit, the output of which is connected to the second transceiver module, the output of which is connected to the microcontroller.