BE1027071B1 - Apparatuur en werkwijze voor een robuust, compact, modulair en geautomatiseerd sensorbeheersysteem met fog netwerking - Google Patents

Abstract

Een apparatuur en werkwijze is voorgesteld voor een rekenkrachtig, robuust, compact, modulair en geautomatiseerd sensorbeheersysteem met fog netwerking. Dit sensorbeheersysteem omvat één of meerdere modulaire sensorbeheermodules met een drie-stappen slaapmodule, een module die instaat voor de interne verwerking van sensorgegevens, een module voor de aansturing van de controllers en aanwezigheid van luchtkanalen voor geoptimaliseerde warmteafvoer. Het sensorbeheersysteem werkt samen met de cloud infrastructuur en een portaal. De compacte sensorbeheermodule is ontworpen om onder een wijde variatie aan operatieomstandigheden te functioneren en bestaat uit verticaal geplaatste printplaten. De cloud infrastructuur bestaat uit verschillende services die zorgen voor een verdeling van de sensorgegevens over verschillende hot-swappable servers waarbij dataverlies nagenoeg wordt geëlimineerd. De software voor de verwerking van sensorgegevens en voor het aansturen van controllers bevindt zich in de cloud, en de relevante opname- en beslissingsregels worden doorgestuurd naar de sensorbeheermodules, wat 24 uur op 24 uur real-time gegevenscollectie en -verwerking waarborgt.

Description

Apparatuur en werkwijze voor een robuust, compact, modulair en geautomatiseerd BE2019/0080 sensorbeheersysteem met fog netwerking Gebied van de openbaarmaking Deze openbaarmaking heeft in het algemeen betrekking op een sensorbeheersysteem en meer bepaald op een apparaat en een werkwijze voor een rekenkrachtig, robuust, compact, modulair en geautomatiseerd sensorbeheerssysteem met ondersteuning voor fog netwerking.

Stand der techniek Deze uitvinding kadert in het monitoren van variabele verbruikers van alle aard.

Bij grote evenementen, zoals bijvoorbeeld festivals en voetbalwedstrijden, zijn de behoeften op het gebied van energie, water. heel erg variabel en afhankelijk van zowel voorspelbare (bijvoorbeeld tijdstip van de dag, pauzes) als onvoorspelbare (plotselinge regenbui, ) factoren.

Dit is ook het geval bij bijvoorbeeld het beheren van verbruiksprocessen van gebouwen en het opvolgen van het verbruik van industriële processen.

Het aanpakken van overdreven verbruikers, en het zogeheten “load on demand”, het automatisch aan- of uitschakelen van eenheden in functie van het werkelijke verbruik, resulteert in een kostenbesparing en ook in een minimalisatie van het verlies aan natuurlijke grondstoffen.

Het opvolgen van allerlei parameters met sensoren, zoals spanning, stroom, waterdebiet, -druk en - niveau, en het daaruit volgend aansturen van de verschillende eenheden (dieselgenerator, batterij, pomp, klep...) is een gangbare praktijk.

Het grote aantal verschillende sensoren op de markt zorgt nu echter voor heel wat verschillende protocollen, softwaretoepassingen en serversystemen, waardoor de beschikbare sensorbeheersystemen niet of weinig op elkaar afgestemd zijn.

Een ander zorg ligt in de captatie, verwerking, opslag en raadpleging van alle sensorgegevens.

Weinig van de sensorbeheersystemen is zo ontworpen dat er 24 uur op 24 uur gegevenscollectie wordt gewaarborgd.

Eén van de redenen hiervoor is dat er geen enkel volledig betrouwbaar communicatiemedium met de cloud op de markt is.

De mobiele communicatie kan altijd wegvallen, de UTP-verbinding kan beschadigd raken, Ook de gegevensverwerking in de sensorbeheersystemen op de markt is vaak nog via de trage klassieke serversystemen.

Een ander relevant probleem bij het gebruik van een sensorbeheersysteem bij grote evenementen is de incompatibiliteit van alle hardware met zowel klimatologische omstandigheden, zoals warmte en vocht, als met omgevingsfactoren, zoals trillingen en schokken.

Een systeem dat een oplossing biedt voor alle bovenstaande uitdagingen, en daarbij ook compact en economische valabel is, is momenteel nog niet op de markt.

In de onderhavige uitvinding wordt er een oplossing beschreven voor de problemen zoals hierboven beschreven.

Er wordt een apparaat en een werkwijze voor een modulair en compact sensorbeheersysteem beschreven die bestand is tegen operatieomstandigheden, zoals trillingen eneen grote variatie aan temperaturen, en met een gegarandeerde 24 uur op 24 uur real-time gegevensverwerking met maximum 1 seconde tijdsvertraging via fog netwerking. Onderhavige uitvinding kan tegen een optimale prijs/kwaliteitsverhouding op de markt gebracht worden.

Korte beschrijving van de uitvinding Deze uitvinding onthult een sensorbeheersysteem die niet enkel robuust is, zowel in apparatuur als in werkwijze, maar ook modulair met respect tot het type sensortechnologie dat kan aangewend worden. Het sensorbeheersysteem zorgt voor een geautomatiseerde aansturing van de verschillende eenheden. De compacte apparatuur is ontwikkeld om onder een wijde variatie aan operatieomstandigheden te blijven functioneren. Met fog netwerking wordt er een 24 uur op 24 uur sensorgegevenscaptatie, -verwerking en -opslag gegarandeerd. Verschillende buffersystemen zijn aanwezig om stroom- en netwerkonderbrekingen op te vangen. Actuele en historische raadpleging van de verzamelde sensorgegevens is mogelijk met een tijdsvertraging van maximum 1 seconde in een portaal, waar ook de mogelijkheid is om een alarm in te stellen bij afwijkende sensorgegevens (uitval van een verbruiker, overmatige verbruiken}.

Het robuust, modulair en geautomatiseerd sensorbeheerssysteem volgend de onderhavige uitvinding wordt gekenmerkt door het omvatten van: sensoren, één of meerdere modulaire sensorbeheermodules met een drie-stappen slaapmodule, een module die instaat voor de interne verwerking van sensorgegevens en een module voor de aansturing van de controllers van de eenheden. Daarnaast bevat het sensorbeheersysteem een cloud infrastructuur en een portaal dat actuele en historische sensorgegevens in minder dan 1 seconde kan visualiseren.

De sensoren collecteren de verschillende gemeten grootheden (amplitude, frequentie, golfvorm, } en sturen ze door naar een sensorbeheermodule, via een bedraad systeem of via een mobiel netwerk.

De sensorbeheermodule staat in het voor het uitlezen van de sensorgegevens met de mogelijkheid tot het plaatsen van verschillende uitbreidingsborden voor het uitlezen van specifieke types sensoren, het aanmaken van sensorgegevenspakketten, het versturen van deze pakketten naar de cloud infrastructuur, het verwerken van sensorgegevens en indien contact met de cloud is verloren het bufferen van de sensorgegevens, het aansturen van de controllers van de eenheden en de mogelijkheid tot lokalisatie, visualisatie van de eigen status en authenticatie.

Een sensorbeheermodule omvat de volgende componenten: verschillende bussystemen, processor, geheugen, twee ethernet poorten, Wifi module, Bluetooth module, one-wire connectiepoort, status- LED's, GPS, bewegingssensor, voeding, waakhond, real-time klok batterij back-up, twee koellichamen, twee digitale ingangen en twee digitale uitgangen en ruimte voor de plaatsing van twee uitbreidingsborden. Deze componenten van de sensorbeheermodule zijn op zodanige wijze gekozen,

geplaatst en gefixeerd op de drie verticaal geplaatste printplaten dat ze kunnen functioneren onder een wijd bereik aan operatieomstandigheden, met een optimale prijs/kwaliteit verhouding en dit alles op een compacte wijze.

De keuze van de componenten en de plaatsing ervan is zodanig dat ze blijven functioneren onder een breed temperatuur bereik.

Alle warmte-producerende componenten zijn opzodanige wijze geplaatst dat ze te allen tijde gekoeld worden door natuurlijke convectie en door de twee koellichamen.

Natuurlijk convectie ontstaat door het creëren van verschillende luchtkanalen door een specifieke plaatsing van de printplaten en het aanbrengen van gaten in de behuizing wat natuurlijke convectie creëert doorheen de sensorbeheermodule.

Dit zorgt ervoor dat de temperatuur van de componenten in de sensorbeheermodule niet hoger wordt dan 15°C boven de luchttemperatuur vande omgeving waarin de module werkzaam is.

Alle componenten zijn op zodanige wijze gefixeerd op de printplaten dat loskomen door trillingen zoveel mogelijk wordt vermeden.

De printplaten zijn geplaats in een metalen behuizing wat zorgt voor stevigheid en extra bescherming tegen elektromagnetische interferentie.

De verschillende bussystemen transfereren de gegevens tussen de verschillende componenten van de sensorbeheermodule.

De verwerkingseenheid moet de vereiste rekenkracht kunnen leveren.

Ze zorgt voor de handhaving van de regels en uitvoering van de algoritmen die van de cloud infrastructuur worden ontvangen zodat, ook wanneer de connectie met de cloud infrastructuur niet beschikbaar is, zelfstandige verwerking en buffering van sensorgegevens gewaarborgd blijft.

Het geheugen bewaart tijdelijk de meetgegevens en berekeningsalgoritmen voor de verwerkingseenheid.

Via de twee ethernet poorten is er bedrade communicatie mogelijk tussen de sensorbeheermodule en een sensornetwerk en tussen de sensorbeheermodule en de cloud infrastructuur.

Via de Wifi module is er draadloze communicatie mogelijk tussen de sensorbeheermodule en de cloud infrastructuur.

Via een Bluetooth verbinding kan er lokaal verbinding gemaakt worden met de sensorbeheermodule.

Via de one-wire connectiepoort is er een gestandaardiseerde communicatie mogelijk met one-wire sensoren.

Via de verschillende status LED's wordt de status van de sensorbeheermodule gevisualiseerd, Via de ingebouwde GPS is het mogelijk via het portaal de locatie van de sensorbeheermodule te bepalen, via de bewegingssensor wordt elke beweging van de module gemonitord en wordt de ‘tik-detectie’, zijnde de controle van de aanwezigheid van een geautoriseerd persoon, bewerkstelligd.

De voeding kan op elke DC (batterij)spanning van 12V tot 24V werken met maximaal toegestane tijdelijke afwijkingen van 50%. Naast het bewaken van de correcte werking van de verwerkingseenheid is de waakhond onderdeel van het drie-stappen slaapsysteem.

Dit drie-stappen slaapsysteem wordt gekenmerkt door de toestand aan, de toestand slaap en de toestand diepe slaap.

De waakhond zorgt voor het ontwaken uit diepe slaap en voor het correct opstarten en functioneren van de hoofdverwerkingseenheid en informeert bij een heropstart door onvoorziene redenen de verwerkingseenheid van de reden.

De real- time klok batterij back-up houdt de tijd bij in geval van een stroomonderbreking.

Standaard is de sensorbeheermodule uitgerust met twee digitale in- en uitgangen van 5V-24V DC.

In E2019/0080 de sensorbeheermodule is er ruimte voorzien voor twee uitbreidingsborden.

De cloud infrastructuur omvat verschillende services, waaronder: een application programming interface (API), verschillende redundant uitgevoerde buffersystemen op meerdere lagen in de infrastructuur, een dataverzamelingsservice, een service die huidige activiteit monitort en rapporteert, een service voor directe communicatie en alarmen, een service die instaat voor authenticatie en beveiliging, een service die zorgt voor het genereren van rapporten, enkele services die instaan voor het monitoren, detecteren en genereren van alarmen en berichten, services die opslag garanderen en onderhouden en het portaal.

Daarnaast zijn er ook kleinere, bijkomende services aanwezig die een ondersteunende functie hebben.

Deze cloud infrastructuur zorgt ervoor dat alle sensorgegevens op verschillende plaatsen in de cloud worden bijgehouden en niet gecentraliseerd worden op één server, maar opgebouwd zijn uit een grote array van fysieke machines.

Het verdelen van de last over deze verschillende hot-swappable servers zorgt voor een snelheidswinst van deze cloud infrastructuur en voor een robuuste sensorgegevensopslag.

De verwerking van de gegevens wordt verdeeld over deze vermelde services, die weer verdeeld zijn over een gedistribueerd systeem van machines waarvan het aantal makkelijk schaalbaar is.

De software die zorgt voor het verwerking van de gegevens bevindt zich in de cloud, maar de relevante regels nodig voor het zelfstandig werken van de sensorbeheermodules worden doorgegeven aan de verwerkingseenheid van de sensorbeheermodule.

De API is het in- en uitgangspunt van de cloud infrastructuur, via de API is het mogelijk om een koppeling te voorzien met andere systemen.

Eén van de eerste buffers bij binnenkomst in de cloud infrastructuur is een ingress buffer opgebouwd uit een gedistribueerd systeem van servers en heeft als functie om alle informatie afkomstig van de sensorbeheermodule ogenblikkelijk in ontvangst te nemen.

Het zorgt voor het opvangen van pieken in de hoeveelheid sensorgegevens, zonder de verdere cloud infrastructuur te belasten.

De sensorgegevenspakketten worden in de ingress buffer in de wachtrij gestopt alvorens ze door te sturen.

De ingress service, die de sensorgegevenspakketten ogenblikkelijk in ontvangst neemt van de ingress buffer sluist de gegevens door naar de andere services, zijnde de dataverzamelingsservice, de service die de huidige activiteit monitort zijnde de current activity service en de service die de huidige activiteit rapporteert zijnde de subscription service.

De dataverzamelingsservice zorgt voor de onmiddellijke opslag van de gegevens in verschillende buffers met elk een eigen doel.. De current activity service houdt alle gegevens bij in het werkgeheugen voor onmiddellijk gebruik.

Deze service bestaat uit vele actoren die ook informatie bevatten over de laatste keer dat elke individuele sensor een waarde heeft doorgestuurd naar de cloud infrastructuur.

Op deze manier wordt (in)activiteit van een sensor ogenblikkelijk geregistreerd.

De subscription service zorgt voor het voeden van realtime gegevens aan het portaal om real-time visualisatie van de sensorgegevens mogelijk te maken.

Ook voedt het de service die instaat voor directe communicatie enalarmen, die zogeheten alert service. De dataopslag service schrijft alle gebufferde gegevens uit de buffer weg in de permanente opslag. Deze service zorgt dus voor de transitie van buffer naar bestandsformaat. Gegevens worden geaggregeerd om zo robuust mogelijk te werken. De reporting service, de service die zorgt voor het genereren van rapporten, vraagt enerzijds alle opgeslagen 5 gegevens in bestanden op en anderzijds alle gebufferde gegevens en bundelt deze informatie om door te geven aan het portaal. Dit kan wanneer de gebruiker van het sensorbeheersysteem het portaal bezoekt en de gegevens opvraagt, maar deze rapporten kunnen ook, via digitale weg, periodiek naar de gebruiker van het sensorbeheersysteem gestuurd worden via het portaal. De alert service is een service voor het bewaken van de alarmen die worden ingesteld. Het portaal is een webapplicatie, waarop er, via een twee factor authenticatie service, kan ingelogd worden om het volledige sensorbeheersysteem te visualiseren. De messaging service stuurt berichten naar de buitenwereld zoals sms'en, e-mails en pushmeldingen.

Daarnaast zijn er nog bijkomende modules aanwezig die de hoofdmodules ondersteunen in hun taken. De module die instaat voor de interne verwerking van sensorgegevens, berekent en interpreteert de gemeten sensorgegevens op basis van eerder opgegeven regels of algoritmen. Deze worden onder andere gebruikt voor de reporting service en voor het aansturen van de controllers van de eenheden. De software bevindt zich in de cloud infrastructuur, maar elke sensorbeheermodule heeft toegang tot zijn relevant deel van de regels en kan zelfstandig handelen indien de connectie met de cloud infrastructuur wordt verloren.

De module voor de aansturing van de controllers van de eenheden aangesloten op de sensorbeheermodule, zorgt voor een intelligente aansturing van deze eenheden. Per eenheid wordt er een entiteit gecreëerd met handelingen naar de controllers toe die moeten gebeuren wanneer de gemeten sensorgegevens afwijken van de gegevens in de database.

Figuren Figuur 1 is een schematische weergave in zijaanzicht van de sensorbeheermodule van het sensorbeheersysteem met aanduiding van de warmte-producerend componenten, twee koellichamen met vinnen en de luchtstroom in de luchtkanalen, volgens een voorbeelduitvoering.

Figuur 2 is een schematische weergave in vooraanzicht van de sensorbeheermodule van het sensorbeheersysteem met aanduiding van de warmte-producerende componenten en luchtstroom, volgens een voorbeelduitvoering.

Figuur 3 toont een stroomschema dat een proces verschaft voor de 24 uur op 24 uur gegevensverwerking en -opslag in onderhevig sensorbeheerssysteem, volgens een voorbeelduitvoering.

Gedetailleerde beschrijving BE2019/0080 Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeur dragende uitvoeringsvorm beschreven van een apparaat, de sensorbeheermodule, en de bijhorende werkwijze voor een robuust, modulair en geautomatiseerd sensorbeheersysteem met gegevensbeheer en -verwerking met fog netwerking.

De reikwijdte van de onderhavige uitvinding is niet beperkt tot de geopenbaarde uitvoeringsvorm.

De geopenbaarde uitvoeringsvorm illustreert slechts de onderhavige uitvinding en gemodificeerde versies van de geopenbaarde uitvoeringsvormen worden ook omvat door de onderhavige uitvinding.

Figuur 1 en Figuur 2 geven een voorbeelduitvoering van de robuuste en compacte sensorbeheermodule van het sensorbeheersysteem weer, respectievelijk in zijaanzicht en in bovenaanzicht met aanduiding van de warmte-producerende componenten en de aanduiding van de luchtstroom in de gecreëerde luchtkanalen doorheen de sensorbeheermodule.

De sensorbeheermodule omvat drie verticaal geplaatste printplaten in een aluminium behuizing 05: de basisprintplaat 01, de printplaat met de centrale verwerkingseenheid 02 en de LED printplaat 03. Er is ruimte voorzien voor twee uitbreidingsborden 04. De maximale afmeting van deze individuele sensorbeheermodule is 125mm x 90mm x 55mm.66 De basisprintplaat 01 bevat twee ethernet poorten 07, de voeding 06, de real-time klok batterij back up, de one-wire connectiepoort, de waakhond, de bewegingssensor, twee digitale ingangen en twee digitale uitgangen.

De printplaat met de centrale verwerkingseenheid bevat het geheugen 08, de verwerkingseenheid 09, de GPS, de Wifi module, de Bluetooth module en de twee koellichamen.

De LED printplaat 03 omvat de status-LED's.

Verschillende bussystemen zijn aanwezig op de printplaten.

Alle componenten aanwezig in de sensorbeheermodule zijn zodanig gekozen dat ze operationeel zijn in een breed temperatuurbereik, in deze voorkeur dragende uitvoeringsvorm hebben alle componenten een werktemperatuur tussen - 20°C en 65°C.

Verschillende bussystemen zijn aanwezig op de verschillende printplaten, waaronder de 12C-bus, UART, USB en de SPI-bus.

De verwerkingseenheid 09 is een 64 bit processor met een snelheid van 1.2GHz.

Deze combinatie van hoge rekenkracht en laag energieverbruik is nodig om lokaal verwerking en interpretatie van sensorgegevensdata te kunnen uitvoeren zonder extra warmte te ontwikkelen in de sensorbeheermodule.

Het geheugen 08 beschikt over 4GB geheugen, maar andere capaciteiten van geheugen vallen ook onder onderhavige uitvinding.

De ethernet poorten zijn onafhankelijke 10/100/1000 Mbit/s ethernet poorten om een scheiding tussen LAN en WAN te kunnen verzekeren.

De Wifi module is volgens de 802.11 b/g/n 2.4GHz standaard.

De LED verlichting geeft visueel de status weer van de volgende onderdelen: voeding 06, werking sensorbeheermodule, status cloud communicatie, werking uitbreidingsbord(en) 04. De GPS is in staat signalen van zowel het GPS,

GLONASS als COMPASS netwerk te ontvangen zodat de sensorbeheermodule op elk tijdstip kan 2019/0080 gelokaliseerd worden. De bewegingssensor is in staat een signaal door te sturen bij beweging wat ervoor zorgt dat bijvoorbeeld diefstal ogenblikkelijk wordt opgemerkt. De bewegingssensor wordt ook gebruikt om via het principe van ‘tik-detectie’ een controle uit te voeren van de aanwezigheid van een geautoriseerd persoon. Een mogelijke situatie is dat het systeem pas terug aangeschakeld kan worden, na een vooraf bepaalde gebeurtenis zoals bijvoorbeeld een overbelasting van het netwerk, indien er een geautoriseerd persoon aanwezig is, die volgens een aangegeven patroon op de sensorbeheermodule tikt. De voeding 06 heeft een nominale spanning van 12V-24V DC, met een tolerantie van 6V tot 36V DC en een energieconsumptie van maximum 7W in de toestand aan met een maximaal piekverbruik tot 25W en een minimale energieconsumptie van 0.09W in de toestand diepe slaap. De waakhond is deel van het drie-stappen slaapsysteem. De twee geïsoleerde digitale ingangen en 2 uitgangen van 5-24V DC zorgen voor de standaard 1/0 signalen. In de sensorbeheermodule is er ruimte voorzien voor twee uitbreidingsborden. Verschillende types uitbreidingsborden zijn mogelijk voor het uitlezen van verschillende types sensorgegevens die niet met de reeds voorziene 1/0 kunnen uitgelezen worden, waaronder uitbreidingsborden met pulstellers, analoge ingangen (4-20mA / 0-10V / …), RS-485, van meerfasige spanning, stroom, maar ook op maat gemaakte uitbreidingsborden voor het uitlezen van specifieke gegevens kunnen op deze uitbreidingsborden geplaatst worden. Indien een bedraad netwerk niet ter beschikking is, is er een modem mogelijk als uitbreidingsborden, voorbeelden hiervan zijn een 4G/LTE modem en een LoRa transmitter.

De afstand in Figuur 1 tussen behuizing 05 en uitbreidingsborden 04 is minimaal 10 mm en maximaal 14mm; de afstand tussen de uitbreidingsborden 04 en de basisprintplaat 01 is minimaal 7mm en maximaal 10mm; de afstand tussen de basisprintplaat 01 en de printplaat met de centrale verwerkingseenheid 02 is minimaal 1mm en maximaal 2mm; de afstand tussen de printplaat met de centrale verwerkingseenheid 02 en de LED printplaat 03 is minimaal 13mm en maximaal 17mm. De twee koellichamen 10 met vinnen, bestaande uit aluminium met een contactoppervlak van minimaal 144mm? en maximaal 168mm?, bevinden zich in de ruimte tussen de printplaat met centrale verwerkingseenheid 02 en de LED printplaat 03. De plaatsing van de warmte-producerende componenten, met name de voeding 06, de twee ethernet poorten O7, het geheugen 08 en de verwerkingseenheid 09 op de basisprintplaat 01 en de printplaat met de centrale verwerkingseenheid 02 is weergegeven in Figuur 2 volgens een voorbeelduitvoering. De twee ethernet poorten 07 en de voeding 06 bevinden zich aan de tegenoverliggende langste zijden van de basisprintplaat 01. Ze kunnen beide geplaatst worden langs de volledige langste zijde van de basisprintplaat 01, met uitzondering van een plaatsing tegenover de printplaat met de centrale verwerkingseenheid 02. De koellichamen 10 met vinnen zijn geplaatst bovenop het geheugen 08 en de verwerkingseenheid 09 die zich bevinden op de printplaat met de centrale verwerkingseenheid 02.

De verticale platen bovenaan en onderaan de sensorbeheermodule in Figuur 1 en Figuur 2 die een onderdeel zijn van de behuizing 05 bestaan voor minimaal 15% uit cirkelvormige gaten met individueel een diameter van maximaal 1.5 mm.

De plaatsing van deze gaten in de behuizing 05 onderaan en bovenaan de sensorbeheermodule in combinatie met de plaatsing van de printplaten is zodanig dat er luchtkanalen gecreëerd worden doorheen de sensorbeheermodule die zorgen voor een luchtstroom en dus een natuurlijke convectie tussen de verschillende printplaten, zonder in te boeten aan de stevigheid van de behuizing.

De voeding 06, de twee ethernet drivers 07, het geheugen 08 en de verwerkingseenheid 09 zijn de belangrijkste warmte-producerende elementen in de sensorbeheermodule.

Om te garanderen dat de componenten van de sensorbeheermodule maar opwarmen tot 15°C boven de luchttemperatuur, is voldoende afkoeling nodig van deze componenten.

De plaatsing van deze warmte-producerende eenheden op de basisprintplaat 01 en de printplaat met de centrale verwerkingseenheid 02 gecombineerd met de plaatsing van de twee koellichamen 10 en de LED printplaat 03, de aanwezigheid van gaten in de aluminium behuizing, de verticale plaatsing van de printplaten, de afstanden tussen alle printplaten onderling 01, 02, 03, 04 en de behuizing 05, de keuze van de verwerkingseenheid 09 en het gebruik van componenten die operationeel zijn in een groot temperatuur domein dragen allemaal bij tot de robuustheid van de sensorbeheermodule in termen van bestand zijn tegen verschillende klimatologische omstandigheden, zoals warmte.

De maximale luchttemperatuur waarbij de onderhavige uitvinding nog operationeel is de werktemperatuur van de componenten van de sensorbeheermodule minus 15°C.

Om beter bestand te zijn tegen schokken en trillingen is in de vooropgestelde uitvoering geen enkele bevestiging uitgevoerd met lijm.

Nylon schroeven en borgmaterialen zorgen voor de bevestiging.

In figuur 3 is een stroomschema voorgesteld van een cloud infrastructuur die op een robuuste manier gegevensverwerking en -opslag voorziet van de verkregen sensorgegevens.

De cloud infrastructuur is zo opgebouwd dat het geheel een cluster van computers vormt waarbij alle verwerking van gegevens in het geheugen gebeurt, een mogelijke, maar zeker niet enig mogelijke, programmeertaal hiervoor is C# in combinatie met het platform Service Fabric.

De sensoren 11 en de controllers voor het aansturen van de eenheden 12 versturen en ontvangen gegevens van de sensorbeheermodule 13. De informatie verzameld in de sensorbeheermodule 13 wordt in compacte pakketten verstuurd naar de ingress buffer 14. De communicatieprotocollen zijn afhankelijk van de gekozen technologie.

Communicatie van de sensorbeheermodule met de ingress buffer 14 is mogelijk via de ethernet drivers 07, Wifi, LPWAN (Lora en Sigfox) en via de verschillende GSM netwerktechnologiën.

Volgende niet exhaustieve lijst van communicatieprotocollen kunnen hiervoor gebruikt worden: Modbus TCP, Profinet, EtherCat, Modbus RTU, RS-485, 1-Wire, Wired M-Bus en de serieel poort RS-232. De gegevenspakketten worden in deingress buffer 14 in een wachtrij gestopt alvorens ze te verwerken. Vanuit de ingress service 15 worden de gegevens doorgestuurd naar de dataverzamelingsservice 16, de current activity service 17 en de subscription service 18. De dataverzamelingsservice 16 draait op meerdere gescheiden entiteiten. Elke entiteit van de dataverzamelingsservice 16 is verantwoordelijk voor de sensorgegevens van een specifiek aantal sensorbeheermodules 13 die hun gegevens toesturen. De verdeling van sensorbeheermodule 13 per server-entiteit wordt gedaan door het berekenen van een verdeelsleutel aan de hand van de naam van die specifieke sensorbeheermodule 13. De dataverzamelingsservice 16 houdt de sensorgegevens in zijn werkgeheugen en plaatst de sensorgegevens in een buffer 19. De sensorgegevens in de buffer 19 hebben een levensduur van 24 tot maximaal 48 uur. De current activity service 17 houdt in zijn geheugen bij wat de huidige activiteit is in de verschillende sensorbeheermodules 13. De laatste waarde, met aanduiding van de gecoördineerde wereldtijd, van elke actieve sensorbeheermodule is via deze service te verkrijgen. De subscription service 18 staat in voor het sturen van real-time gegevens aan de het portaal 23 en de alert service 24. De data opslag service 20 schrijft alle gegevens in de buffer 19 weg in binair gecodeerde bestanden in de permanente opslag 21. Om op een performante manier historische gegevens te kunnen stockeren en terug ophalen, worden de gegevens geaggregeerd en verschillende bestanden worden gecreëerd. Een mogelijk indelingen van de bestanden kan als volgt worden beschreven. Een dag bestand voor alle ruwe gegevens, niet geaggregeerd. Een week bestand, hier worden de gegevens geaggregeerd per minuut.

Een maand bestand waar de gegevens worden geaggregeerd per uur. Een jaar bestand waar de gegevens worden geaggregeerd per dag. De reporting service 22 is een tussenlaag tussen enerzijds de buffer 19 en de permanente opslag 21 en de services die de gegevens willen gebruiken, zoals het portaal 23 en de messaging 25. Het resultaat is steeds een reeks van gegevenspunten, geïndexeerd volgend het gemeten tijdstip. Het portaal 23, in deze uivoering gebouwd via het webapplicatieplatform Angular JS met een C# backend, is een webapplicatie die voor de eindgebruikers het hele sensorbeheersysteem visualiseert. Andere platformen om een portaal te creëren behoren ook tot de mogelijkheid. Op dit online portaal kunnen gebruikers inloggen, hun gebruiksrechten bekijken, hun verschillende sensorbeheermodules beheren, huidige activiteiten raadplegen, alarmen instellen, rapporten creëren van historische en actuele sensorgegevens en nog een heel reeks aan andere toepassingen eigen aan een portaal van een sensorbeheersysteem. Door de opbouw van de cloud infrastructuur zoals hierboven beschreven is de tijd nodig om de sensorgegevens te visualiseren vanuit het portaal maximaal 1 seconde. De alert service 24 bewaakt de ingestelde alarmen. Per alarm dat men activeert, wordt een instantie van deze alert service 24 opgestart. Vervolgens vraag de alert service 24 om de nodige gegevens aan hem te bezorgen via de subscription service 18. Wanneer de actuele sensorgegevens binnenstromen en er bepaalde drempelwaarden worden overschreden, wordt de eindgebruiker hiervan op de hoogte gebracht via het portaal 23 of via de messaging service 25. De API

21 is een web-toepassing waar de buitenwereld zich aan kan vast koppelen, zonder gebruikersinterface.

De API 27 kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor het sturen van sensorgegevens naar apparatuur buiten het sensorbeheersysteem.

Naast de componenten aanwezig op het blokschema van de cloud infrastructuur in Figuur 3, zijn er ook nog andere, kleinere services aanwezig.

De blobactor die instaat voor het verwerken van gegevens in meerdere kleine delen, de chunks.

De database die instaat voor het verwerken van uitgebreide database transacties.

De ingress-out die gegevens verstuurt naar de ingress buffer.

De gatewaytunnel die een bi-directionele verbinding opzet tussen de sensorbeheermodule en de cloud infrastructuur.

De logging die relevante gebeurtenissen en uitzonderingen, zoals handelingen van de gebruiker en systeemfouten, logt.

De reporter, die de periodieke rapportering verstuurt.

De tasks, die repetitieve opdrachten uitvoert, zoals het opkuisen van de logboeken en de virtual gateway actor die gegevens verzamelt via de externe API 217. Module 26, berekening en interpretatie data, is een software die zorgt voor de interne verwerking van de sensorgegevens op basis van de verkregen sensorgegevens via de sensorbeheermodule 13 en bijkomende systeeminformatie zoals bijvoorbeeld de gemonitorde apparatuur en het tijdsbestek.

Deze sensorgegevens worden herrekend in de vorm van grootheden zoals spanning, stroom, vermogen, energiedensiteit,… Deze gegevens worden gebruikt door de reporting service 22 en door de module die zorgt voor de aansturing van de controllers 12 in de sensorbeheermodule 13. De software is deel van de cloud infrastructuur, maar elke sensorbeheermodule 13 krijgt het relevant stuk van de regels, zodat elke sensorbeheermodule 13 ook zelfstandig kan handelen wanneer contact met de cloud infrastructuur wordt verbroken.

Er is ook buffering mogelijk van de sensorgegevens in het geheugen 08 van de sensorbeheermodule 13 indien contact met de cloud infrastructuur wordt verbroken.

De module voor de aansturing van de controllers 12 van de eenheden aangesloten op de sensorbeheermodule, zorgt voor een intelligente aansturing van deze eenheden gebaseerd op de gegevens uit de module berekening en interpretatie data 26 via de sensorbeheermodule 13. Per eenheid wordt er de ideale functioneringswaarden bepaald, en op basis van deze waarden wordt er een database gecreëerd met handelingen naar de controllers toe die moeten gebeuren wanneer de gemeten sensorgegevens afwijken van de gegevens in de database.

Deze handelingen kunnen variëren van eenvoudige aan/uit commando's tot zeer kleine aanpassingen aan het functioneren van een eenheid.

Deze software is, net zoals bij de module berekening en interpretatie data 26, deel van de cloud infrastructuur, maar elke sensorbeheermodule 13 krijgt zijn relevant stuk van de regels, zodat elke sensorbeheermodule indien nodig ook zelfstandig kan handelen indien contact met de cloud infrastructuur wordt verbroken.

Het drie-stappen slaapsysteem wordt gekenmerkt door de toestand aan, de toestand slaap en de toestand diepe slaap zin.

Een waakhond zorgt voor het correct functioneren en ontwaken van de verwerkingseenheid 09 en informeert bij een heropstart door onvoorziene redenen, zoals bijvoorbeeld fluctuaties in de voedingsspanning, de gebruiker van het sensorbeheersysteem via het portaal 23 of via de messaging service 25. In de toestand aan is er een actieve verwerking van de sensorgegevens en wordt de temperatuur van de het sensorbeheermodule 13, de voedingsspanning en de correct werking van het sensorbeheersysteem gemonitord.

Indien het sensorbeheerssysteem niet reageert, wordt het systeem automatisch gereset.

In de toestand slaap verliest het sensorbeheersysteem het contact met de cloud infrastructuur, maar krijgt de verwerkingseenheid 09 spanning en blijft het RAM geheugen gevuld, zodat taken snel kunnen hervat worden bij op voorhand gekozen omstandigheden.

Deze omstandigheden kunnen een notificatie zijn van een uitbreidingsbord, het overschrijden van een vooraf ingestelde temperatuur drempel, het overschrijden van een vooraf ingestelde trillings- of bewegingsdrempel of na het verstrijken van een vooraf ingesteld tijdsinterval.

Het stroomverbruik van het sensorbeheerssysteem in de toestand slaap is minder dan 15% van het verbruik in de toestand aan.

De toestand diepe slaap wordt gekenmerkt door een volledig uitschakelen van het sensorbeheersysteem, met uitzondering van de waakhond.

De waakhond start de verwerkingseenheid 09 terug op bij vooraf gekozen omstandigheden.

Deze omstandigheden zijn dezelfde als deze bij de toestand slaap, met als extra omstandigheid het inschakelen van het sensorbeheersysteem voor het geven van een alarm, indien de voedingsspanning lager is dan een vooraf ingestelde drempel.

Hetstroomverbruik in de toestand diepe slaap is minder dan 2% van het verbruik in de toestand aan.

Claims (10)

Conclusies BE2019/0080

1. Het modulair, robuust, compact en geautomatiseerd sensorbeheersysteem met geoptimaliseerde warmteafvoer omvat één of meerdere modulaire sensorbeheermodules met een drie-stappen slaapmodule, een module die instaat voor de interne verwerking van sensorgegevens en een module voor de aansturing van de controllers van de eenheden, daarnaast bevat het sensorbeheersysteem een cloud infrastructuur met fog-netwerking en een portaal die actuele en historische sensorgegevens in minder dan 1 seconde kan visualiseren.

2. De sensorbeheermodule volgens claim 1 bestaat uit 3 verticaal geplaatste printplaten met mogelijkheid tot het plaatsen van twee uitbreidingsborden in een metalen behuizing met een maximale afmeting van 125mm x 90mm x 55mm.

3. De verticale geplaatste printplaten volgens claim 2 bestaan uit de basisprintplaat, de printplaat met de centrale verwerkingseenheid en de LED printplaat, de basisprintplaat bevat twee ethernet poorten, de voeding, de real-time klok batterij back up, de one-wire connectiepoort, de waakhond, de bewegingssensor, twee digitale ingangen en twee digitale uitgangen, de printplaat met de centrale verwerkingseenheid bevat het geheugen, de verwerkingseenheid, de GPS, de Wifi module, de Bluetooth module en de twee koellichamen met koelvinnen geplaatst op het geheugen en de verwerkingseenheid, de LED printplaat omvat de status-LED's.

4. De afstanden tussen de verschillende verticale printplaten onderling en de behuizing en de printplaten, volgens claim 2, zijn de volgende: tussen behuizing en uitbreidingsborden minimum 10 mm en maximum 14mm; tussen de uitbreidingsborden en de basisprintplaat minimum 7mm en maximum 10mm; tussen de basisprintplaat en de printplaat met de centrale verwerkingseenheid minimum 1mm en maximum 2mm ; tussen de printplaat met de centrale verwerkingseenheid en de LED printplaat minimum 13mm en maximum 17mm.

5. Door de aanwezigheid van koelvinnen en luchtkanalen tussen de verschillende printplaten, wordt de temperatuur van de componenten van de sensorbeheermodule, volgens claim 1, niet hoger dan 15°C boven de luchttemperatuur.

6. De luchtkanalen, volgens claim 5, ontstaan door gaten in de metalen behuizing en door de specifieke verticale plaatsing van de printplaten.

7. De gaten in de metalen behuizing van de sensorbeheermodule, volgens claim 6, bevinden zich onderaan en bovenaan de behuizing en beslaan daar minimum 15% van het oppervlak.

8. De drie stappen slaap module volgens claim 1, wordt gekenmerkt door een waakhond die 9! 90080 zorgt voor het correct ontwaken van de sensorbeheermodule en een toestand aan, toestand slaap en toestand diepe slaap.

9. De cloud infrastructuur volgens claim 1 zorgt voor een gegarandeerde 24 uur op 24 uur realtime gegevensverwerking met fog netwerking via een verdeelsysteem van de sensorgegevens over verschillende hot-swappable servers.

10. De verwerkingseenheid, volgens claim 3, ontvangt van de cloud infrastructuur de relevante software regels, zodat er ook zonder connectie met de cloud infrastructuur, 24 uur op 24 uur zelfstandige verwerking kan uitgevoerd worden en buffering van de sensorgegevens kan gebeuren, de verwerkingseenheid wordt aangestuurd door de waakhond uit claim 8.