CZ34250U1 - Zařízení pro snímání dat z externích senzorů a jejich odeslání skrz nízkoenergetickou síť - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

Zařízení pro snímání dat z externích senzorů a jejich odeslání skrz nízkoenergetickou síť

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro snímání dat z externích senzorů a jejich odeslání skrz nízkoenergetickou síť s možností zákaznické volby radiových modulů a vstupních senzorů a zákaznického přizpůsobení funkce zařízení s využitím uživatelských skriptů.

Dosavadní stav techniky

Systémy pro sběr dat ze senzorů s bezdrátovou komunikační sítí začaly vznikat prakticky souběžně s prvními bezdrátovými datovými sítěmi, jejichž počátky se datují do 70. let minulého století, kdy zahájila provoz první experimentální bezdrátová datová síť ALOHAnet. Větší rozmach komerčních aplikací bezdrátových senzorů nastal s celosvětovou dostupností sítě GSM, tehdejší koncová zařízení se ale vyznačovala vysokou spotřebou energie, tzn. nutností trvale dostupného napájecího zdroje.

S postupným rozvojem řešení pro bezdrátový přenos dat vzniklo několik nízkoenergetických technologií, které umožňují návrh, realizaci a provoz koncových zařízení s jedinou baterií s životností až 10 (nebo i více) let. Tyto nové technologie se souhrnně označují pojmem LPWAN („Low-Power Wide-Area Network“). Komerčně nej úspěšnějšími sítěmi této kategorie jsou dnes SigFox, LoRa, LTE-NB-IoT a LTE-M.

V současné době na trhu existuje řada koncových zařízení využívající tyto sítě, takže odvětví sběru a zpracování dat pomocí sítí LPWAN zažívá obrovský rozmach. Z českých výrobců se vývoji a výrobě koncových zařízení věnují např. firmy ELKO EP, s.r.o., Simple Hardware s.r.o., TIPA, spol. s r.o. a další, na globálním trhuje výrobců koncových zařízení nepřeberné množství.

Existující koncová zařízení LPWAN dostupná na trhu mají ale následující nevýhody:

• množina připojitelných senzorů je limitována sadou fyzických komunikačních rozhraní ajejich protokolů. Tato sada je pevně určena výrobcem zařízení - jeho hardwarovou a softwarovou implementací • nutnost volby jediné LPWAN sítě již na začátku vývoje nové uživatelské aplikace - na trhu není dostupné zařízení s univerzálním fyzickými a programovacím rozhraním pro radiový modul, které by umožňovalo v rámci jedné aplikace použít několik různých LPWAN sítí.

• neexistující nebo velmi omezená možnost uživatelsky programovatelného zpracování dat přímo na zařízení, který implikuje nutnost odesílat do sítě všechna data. Protože odesílání dat do sítě je pro koncové zařízení energeticky nejnáročnější činností, malá nebo žádná flexibilita zpracování/odesílání dat do sítě dramaticky snižuje životnost baterie zařízení.

Pokud uživatel narazí na výše uvedená omezení, je nucen vyvinout vlastní zařízení - jak hardware, tak software, což je finančně a časově vysoce náročný projekt. Alternativně může zvážit použití stavebnic, ze kterých je možné sestavit zařízení blížící se předloženému technickému řešení. Příkladem takové stavebnice je produkt BigClown/HARDWARIO. Jejich nevýhodou je ale:

• neexistující certifikace zařízení • nutnost programovat součásti stavebnice

-1 CZ 34250 U1 • vysoká cena výsledného řešení a nízká univerzálnost

Předloženému technickému řešení koncového zařízení se v současnosti nejvíce blíží na trhu dostupný hardwarový modul Digi XBee3, který disponuje vestavěným interpretrem MicroPythonu a tedy umožňuje zpracování dat ze senzorů přímo v koncovém zařízení. Jedná se ale pouze o programovatelný modul, a ne přímo o kompletní zařízení. Modul navíc nedisponuje možností přímo odesílat data skrz LPWAN.

Částečně se problematikou předloženého technického řešení zabývá také několik patentů. Americký patent US 10149335 řeší generický modul pro zprostředkování JoT konektivity k existujícím zařízením. Řešení podle patentu má ale následující nevýhody:

• pouze zprostředkovává konektivitu pro existující zařízení • nemá žádnou možnost ovlivnění periody snímání/měření • nemá žádnou možnost zásahu do vyhodnocení naměřených dat • nemá možnost vzdálené konfigurace

Americká zveřejněná patentová přihláška US 2018300124 se zabývá vyhodnocením dat v senzoru. Má následující nevýhody:

• odesílání dat je řešeno pouze skrz klasickou síť • pro popis způsobu vyhodnocení dat je navrhován nový jazyk, což komplikuje adaptaci v průmyslu.

Americký patent US 9712645 se zabývá redukcí vyhodnocení dat ze senzorů v různých částech topologie senzorické sítě a integrací získaných senzorických dat. Jeho nevýhodou je, že neuvažuje zpracování dat již v senzoru.

Korejská patentová přihláška KR 20160081200 se zabývá implementací skriptovacího jazyka do mikrokontroléru, nijak ale nepokrývá vývoj cílového zařízení pro nasazení do bezdrátových senzorických sítí.

Podstata technického řešení

K odstranění výše uvedených nedostatků známých řešení pro sběr a odesílání dat přispívá do značné míry zařízení pro snímání dat z externích senzorů a jejich odeslání skrz nízkoenergetickou síť podle předloženého technického řešení.

Podstata technického řešení spočívá vtom, že zařízení obsahuje jako centrální komponentu mikrokontrolér, který je vybaven submodulem vyhodnocovací logiky a skriptovacím engine a je prostřednictvím přizpůsobovacích a ochranných obvodů propojen s konektorem k připojení externích senzorů. Mikrokontrolér je pak dále propojen s hodinami reálného času a s komunikačním modulem pro bezdrátovou síť, na němž je osazen radiový modul.

V některých aplikacích může být k mikrokontroléru připojena externí paměť.

K mikrokontroléru jsou pak prostřednictvím konektoru připojitelné externí senzory komunikující pomocí nejrůznějších rozhraní, jako je GPIO, SPI, I2C, UART, 1-Wire, CANbus nebo pomocí analogových napěťových či proudových signálů.

- 2 CZ 34250 U1

Hlavní přínosy technického řešení spočívají:

• v uživatelsky přístupném konektoru pro připojení radiového modulu/modemu. Tento konektor s definovaným uspořádáním pinů implementuje všechna obvyklá fýzická rozhraní a komunikační protokoly používané různými radiovými moduly, • v uživatelsky přístupném konektoru pro připojení senzorů nebo jiných zdrojů dat. Tento konektor s definovaným uspořádáním pinů implementuje fyzická rozhraní a komunikační protokoly používané různými senzory, • v uživatelsky přístupném konektoru pro připojení napájení, ať už z baterie, nebo vnějšího zdroje, přičemž zařízení implementuje pokročilý management spoření energie pro dosažení minimálního odběru proudu, resp. maximální možné doby běhu na baterie, • v uživatelsky přístupném interpretem skriptovacího jazyka, který umožňuje uživateli výrazně větší flexibilitu ve využití zařízení bez nutnosti zásahu do již certifikovaného zařízení a bez nutnosti vývoje vlastního řešení. Tím je zároveň umožněno na straně zařízení implementovat zákaznickou logiku, díky které se redukuje množství odeslaných dat a tím prodlouží doba běhu zařízení na jednu baterii. Díky připojení do bezdrátové sítě je navíc možné uživatelský skript měnit na dálku bez nutnosti servisního zásahu v místě nasazení zařízení.

Novými prvky a přínosy předloženého technického řešení tedy jsou:

• zpřístupnění rozhraní a protokolů pro volitelný radiový modul • zpřístupnění rozhraní a protokolů pro externí senzory či jiné zdroje dat, • možnost nahrání uživatelských skriptů pomocí HW rozhraní nebo skrz bezdrátovou síť, • redukce spotřebované energie a zvýšení energetické soběstačnosti senzorického zařízení.

Zařízení podle předloženého technického řešení tedy překonává dosavadní stav techniky použitím několika technických prvků, díky čemuž dosahuje větší univerzálnosti a vyšší užitné hodnoty.

Objasnění výkresů

K bližšímu objasnění podstaty technického řešení slouží přiložené výkresy, kde představuje:

obr. 1 - blokové schéma zařízení podle technického řešení, obr. 2 - reálné uspořádání komponent zařízení podle technického řešení, obr. 3 - příklad návrhu uživatelského skriptu.

Příklad uskutečnění technického řešení

Zařízení pro snímání dat z externích senzorů a jejich odeslání skrz nízkoenergetickou síť v příkladném provedení (viz obr. 1 a 2) obsahuje jako centrální komponentu mikrokontrolér 1, který je vybaven submodulem la vyhodnocovací logiky a skriptovacím engine (1b). Mikrokontrolér 1 je prostřednictvím přizpůsobovacích a ochranných obvodů 4 propojen

-3CZ 34250 U1 s konektorem 5 k připojení externích senzorů a dále propojen s hodinami reálného času 6 a s komunikačním modulem pro bezdrátovou síť 3, na němž je osazen radiový modul 2.

K mikrokontroléru 1 je také připojena externí paměť 7.

Prostřednictvím konektoru 5 jsou k miktokontroléru 1 připojitelné externí senzory komunikující pomocí nejrůznějších rozhraní, jako je GPIO, SPI, I2C, UART, 1-Wire, CANbus nebo pomocí analogových napěťových či proudových signálů.

Aby uživatel mohl k zařízení připojit co největší škálu senzorů, poskytuje firmware mikrokontroléru programovací rozhraní (API - „Application Programming Interface“) pro skriptovací engine, zpřístupňující uživateli všechny hardwarové porty/rozhraní mikrokontroléru L Pro připojení zařízení k sítím LPWAN slouží radiový modul 2 s anténou, který se zasouvá do konektoru s definovaným uspořádáním pinů se všemi obvyklými rozhraními používanými moduly pro připojení k bezdrátovými sítím SigFox, LoRa, LTE-NB-IoT a LTE-M. Stejně jako v případě senzorů, i pro programování radiového modulu 2 poskytuje firmware mikrokontroléru 1 programovací rozhraní (API) pro skriptovací engine, který uživateli zpřístupňuje všechny potřebné funkce pro programování komunikace s LPWAN radiovými moduly.

Na obr. 3 je typický příklad uživatelského skriptu, na kterém je znázorněna výhoda možnosti uživatelského předzpracování dat na straně zařízení. V tomto scénáři zařízení bude odesílat naměřenou hodnotu jen v případě, kdy překročí zadanou hodnotu, nebo v případě, kdy naměřené hodnoty zcela naplní kapacitu jednoho packetu radiové sítě - v tomto příkladu je kapacita packetu plně využita osmi naměřenými hodnotami. Protože kromě uživatelských dat packety obsahují režijní data protokolu, agregací několika uživatelských hodnot do jediného packetu se několikanásobně sníží spotřeba energie potřebná pro odeslání jedné hodnoty.

Průmyslová využitelnost

K zařízení lze připojit libovolný senzor poskytující jedno z podporovaných rozhraní. Na straně zařízení lze měřená data snadno interpretovat a provádět nad nimi lokální vyhodnocení, což snižuje nároky na energii. S využitím unifikovaného fyzického i programovacího rozhraní pro připojení radiových modulů různých výrobců a různých sítí lze implementovat aplikace i v geografických oblastech, kde chybí pokrytí zvolené primární sítě. Pokud např. uživatelská aplikace bude pracovat primárně se sítí Sigfox, může v místech bez pokrytí Sigfox využít lokálních základnových stanic LoRa, a to jen s malým přidaným implementačním úsilím.

Díky možnosti vzdálené aktualizace prováděných skriptů lze také při provozu uživatelské aplikace rychle reagovat na nové požadavky zákazníků nebo na změnu stávajících požadavků.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro snímání dat z externích senzorů a jejich odeslání skrz nízkoenergetickou síť s možností zákaznické volby radiových modulů a vstupních senzorů a zákaznického přizpůsobení funkce zařízení s využitím uživatelských skriptů, vyznačující se tím, že obsahuje jako centrální komponentu mikrokontrolér (1), který je vybaven submodulem (la) vyhodnocovací logiky a skriptovacím engine (1b), je prostřednictvím přizpůsobovacích a ochranných obvodů (4) propojen s konektorem (5) k připojení externích senzorů a dále propojen s hodinami reálného času (6) a s komunikačním modulem pro bezdrátovou síť (3), na němž je osazen radiový modul (2).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že k mikrokontroléru (1) je připojena externí paměť (7).
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že k mikrokontroléru (1) jsou prostřednictvím konektoru (5) připojitelné externí senzory komunikující pomocí nejrůznějších rozhraní, jako je GPIO, SPI, I2C, UART, 1-Wire, CANbus nebo pomocí analogových napěťových či proudových signálů.