DE4119094C2 - Intelligentes Fernmeß- und Stellsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein intelligentes Fernmeß- und Stellsystem gemäß dem Anspruch 1.

Durch die Druckschriften "ntz", Bd. 42, H. 4, 1989, S. 240-244, und GB-Buch: LYNCH, C. Brownrigg, E. B. "Packet Radio Networks", Pergamon Press, Oxford 1987, sind im einen Fall ein intelligentes Fernmeß- und Stellsystem bekanntgeworden, dessen Einheiten in einem Netzwerk zusammenschaltbar und mit einer Zentrale verbunden sind und im anderen Fall sind Einheiten eines Netzwerkes bekannt, die als "repeater" einsetzbar sind. Eine digitale Datenübertragung mittels Signalumwandlers über eine einzige Frequenz ist jedoch weder offenbart noch nahegelegt.

Mobile Einheiten, insbesondere Modems für zellulare Funknetze haben derzeit eine praktisch unbrauchbare Übertragungsqualität (siehe Funkschau Nr. 3, 1991, Seite 35).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches System noch flexibler in seinem Anwendungsbereich zu gestalten, insbesondere durch die Hereinnahme mobiler Einheiten wie Handgeräte, insbesondere Funksender und Empfänger in das Netzwerk und zugleich die Übertragung von Daten und/oder Sprach- oder Bildsignalen in hoher Qualität (auf Störungsarmut bzw. Störungsfreiheit) zu sichern. Die fehlerfreie Übertragung bzw. störungsarme Übertragung von Signalen, insbesondere Signale der erwähnten verschiedenen Arten ist bisher jedoch problematisch. Insbesondere ist das Telefonnetz als das weit verbreitetste Netzwerk primär für die Übertragung von Sprachsignalen ausgelegt.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird erläutert anhand weiterer Ansprüche, der Beschreibung, Zeichnungen und Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild eines intelligenten Fernmeß- und Stellsystems, dessen Einheiten (Terminals) in ein Netzwerk einschaltbar sind;

Fig. 2 eine Einheit (Terminal) im Aufbau als Blockschaltbild;

Fig. 3 ein Schema der Datenfernübertragung;

Fig. 4 ein Schema des Datenübertragungsverfahrens;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Signalwandlers (Modem) auf einer Platine, z. B. als Steckkarte;

Fig. 6 eine Abwandlung eines Ausführungsbeispieles nach Fig. 5 in abgeschirmter/gekapselter Form mit Stecker, z. B. zum Anschluß an einen Personalcomputer PC;

Fig. 7 ein Schaltbeispiel einer Platine für Anschluß oder Anbau/Einbau am Personalcomputer PC oder Funkgerät;

Fig. 8 ein Funkgerät mit eingebautem Modem und Signalprozessor für Daten-, Sprach- und Bildsignalübertragung;

Fig. 9a und b eine Taktsignalfolge, wie sie für die Energieversorgung mindestens des Modems im Betrieb im Netz angewendet wird und

Fig. 10 eine Betriebsanzeige auf den Eingang eines Rufes eines Befehles oder anderer Signale und deren Übertragung gemäß Protokoll auf einem Teilfeld eines Bildschirms des Personalcomputers PC.

Die Erfindung ist anwendbar zur Fernüberwachung, insbesondere auf dem Gebiet des Umweltschutzes, z. B. Luftüberwachung, Gewässerüberwachung bzw. Verunreinigungen, Radioaktivität, biologisch, chemisch etc., aber z. B. auch als Verkehrsüberwachungs- und Leitsystem, beim Katastrophenschutz, wie Brandschutz, Erdbebenschutz, Überschwemmungen und dgl.

Die besonderen Vorteile des Systems sind: Beliebig viele Einheiten - nachfolgend als Terminal 1-4 bezeichnet - können als Meßstationen an einer Zentrale angeschlossen sein, eine Datenübertragung ist per Funk, Lichtwellenleiter oder Zweidrahtleitung durchführbar, die Übertragung ist mit hoher Datendichte möglich, z. B. über DATEX-P-Netz der Bundespost, eine automatische Fehlererfassung und -korrektur bei der Übertragung ist gegeben, sowie ein geringer Stromverbrauch. Ein Solargenerator ist optionell lieferbar, die Terminals sind im Relaisbetrieb einsetzbar und fernsteuerbare Alarmmeldungen sowie eine fernsteuerbare Änderung der Meßparameter, insbesondere durch Übertragung anderer Meßprogramme (z. B. aus Speicher 22 des PC 5) sind durchführbar.

Das System dient zur Erfassung von analogen und digitalen Meßdaten an abgelegenen und/oder kaum zugänglichen Meßorten sowie zur Übertragung dieser Parameter an eine Zentralstation mittels Funkstrecke, Lichtwellenleiter, Telefonleitung oder Datenbus.

In umgekehrter Richtung können den Terminals - beispielsweise 1-4 - Einstellparameter wie Abfragegeräte, Grenzwerte, Kanalzahl, die Zuordnung von Funkstationen etc. über Funk übermittelt werden.

Jedes Terminal - beispielsweise 3 und 4 - kann gleichzeitig als Relaisstation für andere Terminals dienen. Die Terminals können im Relaisbetrieb hintereinander geschaltet werden.

An jedes Terminal 1-4 können analoge Meßsignale und digitale Ein- oder Ausgänge auch mit D/A-Wandler angeschlossen werden. Die Zuordnung, ob es sich hierbei um einen Ein- oder Ausgang handelt, ist wahlfrei. Jedes Terminal 1-4 verfügt über ausreichend Speicherplatz zur Zwischenspeicherung von Meßdaten. Jede Meßstation speichert in vorgegebenen Meßintervallen die Meßdaten zusammen mit der Meßkanalnummer. Die Intervalldauer ist frei wählbar und über Funk von der Zentralstation aus einstellbar. Die Daten werden zusammen mit der Uhrzeit (Zeitpunkt der Messung) entweder periodisch zu festgelegten Zeitpunkten oder auf Anforderung der Zentralstation an diese übertragen. Die Datenfernübertragung erfolgt z. B. in Paketform zusammen mit Datum, Uhrzeit, Nummer des Meßkanals sowie Stationsnamen (Funkrufzeichen), so daß eine eindeutige Zuordnung der in der Zentrale - beispielsweise 4, 5 und 6 - eingehenden Daten gesichert ist. Das System erlaubt eine flexible Anpassung an verschiedenen Meßaufgaben, ohne zusätzliche Änderung der Systemprogramme.

Wie Fig. 1 zeigt, kann bei einem zwischen Terminal 1 und 2 auftretendem Hindernis 23 eine vom Terminal 1 ausgesandte Datenfolge 24 nicht zu ihrem Ziel, dem Terminal 2, direkt gelangen. Nun wird diese Datenfolge 24 auf dem Umweg über Terminal 3 und 4 zum Terminal 2 geleitet, das als Zielterminal vorgesehen war. Dabei dienen die Terminals 3 und 4 als Relaisstationen für die Übertragung.

Jedes der Terminals 1 bis 4 ist als "Zentrale" ausführbar, in Fig. 1 ist es das Terminal 4, das mit einem Computer 5 und einem Drucker 6 versehen wird und damit als Alarmzentrale o. ä. intelligentes Fernmeß- und Stellsystem dient, welches als mobile Einheit ausgebildet ist.

Die Datenübertragung erfolgt mittels Datenpaketübermittlung, wobei der Anfangsblock des Pakets ein spezielles Datenbit als Kennzeichen des Paketanfangs sowie die Stationsnamen (Adresse) von Sender, Empfänger und bei Bedarf der Relaisstationen, die das Paket zum Empfänger weiterreichen, beinhaltet.

Als Paketinhalt werden die zu übertragenden Daten (Meßwerte, Datum, Uhrzeit, Kanalnummer) bezeichnet. Das Paketende besteht z. B. aus einem 8 bit langen Schlußzeichen und einer 16 bit langen Kontrollinformation, die sich aus den Bitewerten von Paketanfang und Paketinhalt nach dem CRC-Verfahren (Cyclic Redundancy Check) berechnet.

Das empfangende Terminal berechnet ebenfalls aus den empfangenen Daten diesen Wert und vergleicht ihn mit dem empfangenen Kontrollwert. Stimmen beide überein, sendet sie eine positive Quittierung zurück und erwartet das nächste Paket, andernfalls sendet sie eine negative Quittierung und erwartet die Wiederholung des Pakets.

Der verwendete CRC-Algorithmus ergibt eine Fehlersicherheit von 1,5×10^-12, was praktisch zur Erkennung aller auftretenden Übertragungsfehler führt, die durch Blockwiederholung korrigiert werden.

Im System ist der Anwender nicht mit den Einzelheiten der Übertragung befaßt, die Meßdaten einschließlich ihrer Kenndaten (Datum, Uhrzeit etc.) stehen nach wenigen Sekunden in verschiedenen vorgebbaren Formaten, z. B. ASCII-Textdateien auf Diskette, Festplatte oder Bildschirm zur Verfügung und können automatisch übertragen und ausgewertet werden oder auf Abruf/Fernabfrage.

Die Fig. 2 der Zeichnung veranschaulicht den Aufbau des Ausführungsbeispiels einer Einheit 1, 2, 3 oder 4, die als Terminal bezeichnet sind, in einem Blockschaltbild. Hierbei ist der Sensor bzw. Meßfühler mit 7 und das Stellglied mit 8 und der Eingangs- bzw. Ausgangsdatenstrom mit 9 bezeichnet, die mit den Analogeingängen/-ausgängen 10 und den Digitaleingängen/-ausgängen 11 verbunden sind. Mit 12 ist ein Analog-/Digitalwandler und mit 13 ist eine Uhr oder ein Clockpulstreiber angegeben, die mit einem internen Terminalbus 14 in Wirkverbindung stehen. Die Energieversorgung 15 für einen Mikroprozessor 17 mit einem Terminal-Node-Controler 17′ kann eine aufladbare Spannungsquelle, gegebenenfalls ein Solarmodul 16 sein. Dieser Mikroprozessor 17 weist eine erste Schnittstelle 18 z. B. für Funk zum Sender und Empfänger für die zu übertragenden Daten sowie eine zweite Schnittstelle 20, beispielsweise für Telefon, TEMEX, LWL etc. auf. Die Antenne der Schnittstelle 18 trägt die Bezeichnung 19. Zum weiteren Aufbau des Terminals 1, 2, 3 oder 4 etc. zählen noch ein Lesespeicher oder EPROM etc. 21 sowie ein Schreib-/Lesespeicher 22.

Die Funktion der Datenfernübertragung ist in Fig. 3 skizziert und dürfte für den Fachmann eindeutig sein, ebenfalls das in Fig. 4 skizzierte Paketaufbau gemäß Datenübertragungsverfahren.

Bei der Erfindung werden alle Daten mit Hilfe eines Modems 26 über eine einzige Trägerfrequenz moduliert und übertragen.

Ein Ausführungsbeispiel für eine mit einer Schnittstelle 32 (z. B. RS 232) von einem Personalcomputer 5 verbindbare Einheit 31 ist Fig. 5 entnehmbar. Dort ist auf einer Platine 25 in Form einer Steckkarte u. a. ein Modem 26 als Bauelement ersichtlich. Die Steckkarte enthält weitere elektronische Bauelemente 27, 28, 29 und elektrische Steckanschlüsse 30 einschließlich eines Masseanschlusses (Ground).

Fig. 6 ist gegenüber Fig. 5 dahingehend abgewandelt, daß nicht nur eine Platine vorgesehen ist, auf der die elektronischen Bauelemente einschließlich Modem 26, z. B. als SMD aufgebaut sind, sondern darüber hinaus ein Gehäuse 31 in Form einer elektromagnetisch dichten Kapselung oder Abschirmung. Dabei ist ein Stecker 30 bzw. eine Steckbuchse 30′ an einem Frontende des Gehäuses 31 vorgesehen.

In Fig. 7 ist beispielsweise ein Schaltplan der möglichen Verbindung zur Spannungsversorgung der elektrischen Bauelemente des Modem 26 bei Anschluß an einer Schnittstelle 32 des Personalcomputers PC 5 und/oder mit einem Funkgerät 33 als Signalübermittlungsgerät ersichtlich. In Fig. 7 ist auf der linken Seite der Anschluß an den PC 5 und auf der rechten Seite der Anschluß an das Funkgerät 33, insbesondere Funksender und Empfänger ersichtlich, wobei das Modem 26 als steckbare Einheit nach Fig. 5 oder 6 ausgeführt sein kann und an den Pfeilen in der Mitte von Fig. 7 anschließbar oder in das Funkgerät rechts direkt eingebaut ist. In Fig. 7 bedeuten die Einzelleitungen:

TXD=Sendedaten
D1 Diode
OTR=Empfangsort	D2 Diode
CTS=Signalstatus	D3 Diode
GRD=Masse	(gleichrichtend)

Die Strom- oder Spannungsversorgung der elektrischen Bauteile erfolgt mit etwa 0 bis +5 Volt und reicht wenigstens für den Betrieb des Modems 26 für die Signalwandlung, vorzugsweise auch zur Versorgung der weiteren elektronischen Bauelemente 27 bis 29. Die Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung erfolgt in einer bestimmten Taktsignalfolge wie Fig. 9 zeigt, im Burstverfahren bzw. in Signalpausen, in einer vorgegebenen Programmroutine bei geringstem Energieverbrauch. So ist eine Übertragung aller Daten sicher möglich. Nur die vorbestimmte Programmroutine gestattet überhaupt eine Signalübertragung. Deshalb ist auch hierdurch ein weitgehender Schutz der Hardware und Software vor Mißbrauch gegeben. Die Störungsarmut bzw. -freiheit wird durch die geschickte Signalwandlung durch Modulation/Demodulation nur einer einzigen Trägerfrequenz (z. B. zwischen 900 kHz und 1800 kHz) in einem Netz wie PCN, DECT, ISDN oder D-Netz oder Kombinationen dieser oder anderer Netze ermöglicht.

Fig. 8 zeigt als Beispiel ein miniaturisiertes (auf Chip oder als SMD) Funkgerät 33 mit ausgefahrener Antenne 34 und mit einem eingebauten Modem 26 und Signalprozessor. Dieser kann ein digitaler Signalprozessor DSP sein, der bevorzugt seriell, in abgewandelter Ausführung auch parallel arbeiten kann. Der digitale Signalprozessor ist nicht nur in das Funkgerät sondern auch in das Terminal 1 bis 4 bzw. in eine Schnittstelle 32 des Personalcomputers PC 5 einbaubar.

Fig. 9a zeigt die Bitstruktur bei einer beispielhaften mobilen Funkübertragung im Festfrequenzmodus, z. B. in einem Netz wie D-Netz oder GSM (geplantes europäisches Mobilfunknetz) oder DECT=Digital European Cordless Telephon oder PCN=Personal Communication Netzwerk. Letzteres Netz ist mit 900 MHz und niedriger Energie betreibbar und kompatibel zum Netz GSM.

Fig. 9b zeigt den Zeitverlauf einer resultierenden Sendeleistung. Dabei besteht jeder Zeitschlitzburst aus 148 Bit. Zwischen den einzelnen Zeitschlitzen (Abstand 8, 25 Bit) erfolgt programmgesteuert hier die Spannungsversorgung der elektrischen Bauteile wie in Fig. 7 angedeutet.

Die verwendeten 148 Bits setzen sich, z. B. so zusammen:

2 × 3 Flankenformbits (Tail Bits)
2 × 57 Datenbits (Encrypted Bits)
2 × 1 Steuerbit (Control Bit)
26 Bit Trainingssequenz (Training Sequenz)

Die Ansteuerung der anderen Bits erfolgt symmetrisch zur Trainingssequenz. Diese dient der Synchronisation und Fehlererkennung. Ein Steuerbit signalisiert die Art der übertragenen Daten und/oder den Kanal.

Es kann jede Art von Netzwerk für die digitale Datenübertragung herangezogen werden. Analoge Signale können zunächst in digitale Signale umgewandelt werden, z. B. Sprachdaten im PCM-Verfahren, d. h. Pulscodemodulation mit einem Codec, d. h. einem Codierer und einem Decodierer auf 32 K Bit pro Sekunde, 24 K Bit pro Sekunde oder 16 K Bit pro Sekunde, ohne hierauf beschränkt zu sein. Selbstverständlich ist auch 64 K Bit pro Sekunde, insbesondere für Sprachdaten und Telefonanschluß geeignet.

Die Datenübertragung kann einfach oder duplex erfolgen und auf mehreren Kanälen gleichzeitig und auf mehrere Arten leitungsgebunden oder nicht leitungsgebunden.

Wie Fig. 10 zeigt, werden im Hintergrund abgehende Signale auf einem Sendefenster in drei Teilfenstern (windows) des PC-Bildschirmes angezeigt und empfangene Signale auf einem Empfangsfenster und auf einem weiteren Monitorfenster wird die laufende Übertragung mit Kanal angezeigt und überwacht. Dabei wird die Erkennung des Signalrufes dessen Identifizierung und Zulassung programmgesteuert angezeigt, ebenso wie die Sicherheit der fehlerfreien Übertragung gemäß Protokoll. Sollte ein Fehler vorgelegen haben, erfolgt erneute Übertragung gemäß Programm, bis das Protokoll die richtige vollständige Übertragung anzeigt. Ein Signalruf oder Befehl oder Erkennungscode muß selbstverständlich nicht als Tonfolge, sondern kann in beliebiger Codierung erfolgen. Zugelassen wird er nur, wenn er in ein vorgegebenes Programm und eine vorgegebene Trägerfrequenz paßt.

Es können folgende Betriebsarten für die Datenübertragung gewählt werden:

• 1) Ständige Überwachung, auf Einzelruf oder Sammelruf
• 2) Halb/bzw. Duplex
• 3) Grenzwertüberwachung, Schwellwertüber/unterschreitung
• 4) Aufzeichnung auf Festplatte, Diskette, Drucker etc. auch automatisch.

Claims (10)

1. Intelligentes Fernmeß- und Stellsystem, das intelligente Einheiten (1 bis 4) für die Erfassunng, Verarbeitung und Speicherung von Daten und deren Übertragung aufweist, wobei die Einheiten als mobile Einheiten, insbesondere als Handgerät ausgebildet und in ein Netzwerk einschaltbar sind und einen Signalwandler in Form einer Modulations/Demodulationseinheit (Modem 26) für eine einzelne Trägerfrequenz aufweist, zur Übertragung von Daten-, Sprach- und Bildsignalen nach einem vorgegebenen Programm mit vorgebbarem Format und die mobilen Einheiten an einen Personalcomputer (5) anschließbar sind, wobei die Energieversorgung der mobilen Einheit ausschließlich aus der Schnittstelle des Personalcomputers (5) durch geeignete Signalwandlung des in das Modem (26) eingehenden Datenstromes durchgeführt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modem (26) fest mit der intelligenten Einheit (1 bis 4) verbunden ist, insbesondere in einem Funksender und -empfänger (18-33) eingebaut ist.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modem (26) mit einer seriellen Schnittstelle (32) eines Personalcomputers (PC oder Arbeitsplatzrechner) (5) verbunden ist, insbesondere in Form einer elektromagnetisch abgeschirmten bzw. gekapselten steckbaren Einheit (31).

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Personalcomputer (PC) (5) die Software für die digitale Datenfernübertragung im Hintergrund des eigentlichen Rechnerprogrammes (MS-DOS im PC) ablaufen läßt von einem Programm das speicherresident ist, d. h. aus dem ROM, EPROM oder EEPROM der Einheit (1, 2, 3 oder 4) steuerbar ist.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reduktion digitaler Daten einschließlich umgewandelter analoger Signale, wie Sprachdaten (erzeugt im PCM-Verfahren mit einem Codec) oder Bild oder kombinierter Signale speicherprogrammiert mittels eines digitalen Mikroprozessors (17) seriell oder parallel erfolgt.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Mikroprozessor (17) der Einheit (1 bis 4) zugeordnet ist.

7. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Mikroprozessor (17) dem Funkgerät (18, 19, 33) zugeordnet ist.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgung der Einheit (1 bis 4) oder Funkgerätes (18, 19, 33) mit elektrischer Energie (Low-power) in bestimmten Taktsignalen/Abständen speicherprogrammgesteuert erfolgt.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Modem (26), insbesondere als steckbare Einheit (25) und der Einheit (1 bis 4) bzw. Funkgerät (18, 19; 33) eine Masseverbindung (Ground) besteht.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signalruf bzw. -eingang, -kennung wie Kanalnummer etc. und Signalübertragung gemäß Protokoll auf einem Bildschirm des Personalcomputers (5) angezeigt wird, insbesondere in hierfür vorgesehenen Teilfeldern einer Bedieneranzeige oder Oberfläche wie Windows etc.