RU217729U1 - Устройство для мониторинга персонала на производстве - Google Patents
Устройство для мониторинга персонала на производстве Download PDFInfo
- Publication number
- RU217729U1 RU217729U1 RU2022120725U RU2022120725U RU217729U1 RU 217729 U1 RU217729 U1 RU 217729U1 RU 2022120725 U RU2022120725 U RU 2022120725U RU 2022120725 U RU2022120725 U RU 2022120725U RU 217729 U1 RU217729 U1 RU 217729U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- data
- transmission
- module
- time
- control
- Prior art date
Links
Abstract
Полезная модель относится к малогабаритным индивидуальным портативным устройствам, предназначенным для определения местоположения человека (сотрудника предприятия) внутри и вне помещений с возможностью регистрации событий «падения, удара по голове» и контроля наличия средства индивидуальной безопасности (каска) на голове человека. Устройство для мониторинга персонала внутри и снаружи помещений, содержащее единый корпус, в котором располагаются литий-полимерный аккумулятор, выполненный с возможностью обеспечения контролируемого заряда; акселерометр-гироскоп и барометрический датчик давления, выполненные с возможностью контролирования падения и удара человека; управляющий микроконтроллер, выполненный с возможностью управления компонентами системы; контроля целостности записанной информации, обнаружения ошибок и исключения не рабочих блоков памяти из энергонезависимой памяти; энергонезависимая Flash-память, выполненная с возможностью передавать за один такт 4 бита информации; LoRaWAN-устройство класса A для передачи данных на сервер; модуль GSM. Технический результат - повышение точности осуществления контроля за персоналом на производстве.
Description
[001] Полезная модель относится к малогабаритным, индивидуальным, портативным устройствам, предназначенным для определения местоположения человека (сотрудника предприятия) внутри и вне помещений с возможностью регистрации событий «падения, удара по голове» и контроля наличия средства индивидуальной безопасности (каска) на голове человека.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] В настоящее время на рынке существует достаточное количество производителей, предлагающих устройства для мониторинга персонала внутри и снаружи помещений. Для понимания и анализа потребительских характеристик разрабатываемого изделия, был проведен сравнительный анализ аналогов. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Краткие характеристики изделий - аналогов
Наименование изделия/ параметр сравнения | Умная каска Softline | Умная каска Гранч | Умная каска Laing O'Rourke | Умная каска Крок | Умная каска Guardhat | Умная каска Умка |
Геопозиционирование | да | да | да | да | да | нет |
Зона покрытия | 8 км | 70 м | Зона действия сотовой связи | 50 м | Радиус 50 м от анкера | 5 км от базовой станции |
Информация об ударах | да | да | да | да | да | да |
Каска на голове | да | нет | нет | да | нет | да |
Вызов оператора | да | да | да | да | да | нет |
Технология передачи данных | LoRaWAN | Wi-Fi | IoT | UWB | UWB, Zigbee, Wi-Fi, LTE, NFC, BLE, Bluetooth | LoRaWAN |
Передача голосовых данных | нет | нет | да | нет | да | нет |
Передача видео данных | нет | нет | нет | нет | да | нет |
Наличие Сертификатов | нет | да | да | нет | да | нет |
[003] На основании проведенного анализа можно сказать, что качественным отличием описываемого в данном описании изделия от предлагаемых на рынке решений является способ организации передачи данных посредством двух каналов связи и GSM канала и по каналу LoRaWan. Предлагаемый подход обеспечивает решению универсальность для удовлетворения потребностей любых клиентов, пользующихся умными касками. GSM — это мобильность и возможность использовать устройство сразу после приобретения и без дополнительного оборудования (принцип “Plug and play”). LoRaWan — это стабильность соединения при подготовленной инфраструктуре в виде базовых станций и больше подходит для стационарных объектов.
[004] В экономическом смысле решение является самым доступным по соотношению цены и набору предлагаемого функционала по сравнению с конкурентами.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[005] Технической задачей, решаемой в данном техническом решении, является осуществление устройства для мониторинга персонала внутри и снаружи помещений.
[006] Техническим результатом, достигаемым при решении технической задачи, является повышение точности осуществления контроля за персоналом на производстве.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[007] В настоящем описании представлен процесс анализа, обоснования и выбора технических решений, реализация программно-алгоритмического наполнения и изготовления опытного образца индивидуального устройства-трекера для сбора информации о состоянии контролируемого объекта.
[008] Изделие регистрирует следующие состояния объекта и параметры:
а) факт наличия каски на голове;
б) местоположение внутри помещения;
в) местоположение вне помещения;
г) события удара, падения;
д) события движения;
е) регистрация данных о принятых сигналах маяков Bluetooth;
ж) подключение дополнительных Bluetooth датчиков, получение и отображение данных от них.
[009] На основании требований функционирования и выполняемых задач устройство можно разделить на несколько основных функциональных аппаратных частей:
электропитание, зарядка и контроль батареи;
датчики;
управляющий контроллер;
хранение данных;
передача данных по GSM;
передача данных по LoRaWAN.
[0010] Основными функциями данной системы устройства являются:
а) устойчивое стабилизированное электропитание всех активных элементов и блоков в составе устройства;
б) обеспечение контролируемого заряда литий-полимерного (Li-Po) аккумулятора в составе устройства;
в) контроль степени и однородности заряда аккумулятора.
[0011] Наибольшее затруднение при проектировании мобильных и портативных устройств вызывает обеспечение автономности изделия и как следствие снижение энергопотребления составляющими изделие блоками. Для повышения энергоэффективности в качестве основного питающего напряжения было выбрано напряжение 3В.
[0012] Основным источником питающего напряжения был выбран Li-Po аккумулятор BR603449D емкостью 1100 мА·ч и выходным напряжением 3,7 В. К особенностям данного источника питания можно отнести его морозоустойчивость (способность отдавать заряд при температурах -40°С), малый размер и вес, возможность выдавать высокие токи.
[0013] За обеспечение стабильности питающего напряжения в устройстве отвечает линейный стабилизатор напряжения на базе микросхемы TLV5530. Потребляемый современными модулями передачи данных по GSM каналу ток может достигать в пике значений 2А, а минимальное рабочее напряжение питания модуля составляет +3.4В. С целью снижения влияния модуля передачи данных по цепям питания на работу остальных частей устройства, был установлен отдельный импульсный преобразователь на базе TPS63020, работающий в режиме Buck-Boost. Управляющий контроллер устройства может в любой момент времени включить/выключить модуль передачи данных по GSM-каналу при необходимости, для этого используется вход ENABLE импульсного преобразователя. Импульсный преобразователь TPS63020 работает на фиксированной частоте 2.4 МГц и автоматически переключается между режимами Buck-Boost. Применение в преобразователе высокой частоты позволило использовать накопительные катушки индуктивности небольшой индуктивности.
[0014] В качестве контроллера аккумулятора используется датчик уровня заряда батареи BQ27421 от компании Texas Instrument. Данное решение позволяет с минимальными усилиями получать в цифровом формате данные по напряжению, степени заряда и емкость подключенной батареи. Связь с управляющим контроллером осуществляется по шине I2C.
[0015] Значительное количество портативных устройств во время эксплуатации выходят из строя из-за поломок, связанных с разъёмами подключения зарядки. Особенно много таких поломок у устройств, использующих разъемы miniUSB и microUSB. Учитывая основные условия и места эксплуатации изделия, было принято решение отказаться от разъема. Для обеспечения стабильного заряда в устройстве используется беспроводная зарядка «по воздуху» на базе микросхемы BQ51050 от компании Texas Instrument. Микросхема BQ51050 поддерживает протокол обмена с зарядной станцией Qi v1.2 и ток зарядки до 1.5А.
[0016] Основными функциями датчиков в разрабатываемом изделии является регистрация изменения состояния изделия.
[0017] Для контроля таких ситуаций как падение, удар применяется связка из MEMS акселерометр-гироскоп на базе микросхемы LSM6DS3 и барометрического датчика давления – микросхемы LPS27HHW.
[0018] Для исключения травм, полученных в результате пренебрежения техникой безопасности на производстве, применяется ИК-дальномер на базе микросхемы VCNL4200 от компании VISHAY, который позволяет однозначно определять - надето ли средство индивидуальной защиты «Каска» или нет.
[0019] Для выбора оптимального устройства в качестве управляющего контроллера проводился анализ рынка существующих микроконтроллеров. Перечень основных параметров, по которым производился анализ и сравнение различных микроконтроллеров следующий:
а) энергоэффективность;
б) производительность;
в) объем встроенной флеш-памяти для хранения программы;
г) объем оперативной памяти для хранения рабочих данных;
д) поддержка протоколов SPI, I2C, UART, USB;
е) стоимость.
[0020] В результате анализа и сравнения нескольких вариантов было принято решения в качестве управляющего контроллера использовать микросхему STM32F412 производства STMicroelectronics. Предлагаемый микроконтроллер обладает следующими техническими характеристиками:
а) 1МБ флеш-памяти;
б) 256КБ оперативной памяти;
в) встроенные часы реального времени;
г) гибкое управление режимами энергосбережения;
д) поддерживаемые интерфейсы:
1. USART – 4х;
2. SPI – 5х;
3. I²C – 4х;
4. CAN (2.0B) –2х;
5. SDIO (48МГц);
6. USB 2.0;
7. I²S;
е) хорошее соотношение цена/производительность.
[0021] Программирование УК производится по отладочному интерфейсу SW или бутлоадером.
[0022] Для обеспечения надежности работы УК дополнительно используется внешний супервизор напряжения питания - SR1PBBU.
[0023] Для формирования тактовых частот контроллера используется кварцевый резонатор на 8МГц - DSX321G, обладающий следующими характеристиками:
а) размеры корпуса 3,2×2,5×0,85 мм;
б) диапазон рабочих температур -40°С – +85°С;
в) долговременная нестабильность частоты резонатора – 20·10-6 Гц при 25°С;
г) температурный дрейф частоты в рабочем диапазоне температур – не более 30·10-6 Гц.
[0024] Тактовые частоты, формируемые кварцевым резонатором NX3215SA с частотой 32кГц, используются в часах реального времени и сторожевом таймере. Резонатор NX3215SA обладает следующими техническими характеристиками:
а) размеры корпуса 3,2×1,5×0,85 мм;
б) диапазон рабочих температур -40°С – +85°С;
в) долговременная нестабильность частоты резонатора – 20·10-6 Гц при 25°С;
г) температурный коэффициент ухода частоты не более -0,04·10-6 Гц/°С.
[0025] Для индикации состояния управляющего микроконтроллера используется многоцветный RGB индикатор CLV1A-FKB-CK1N1G1BB7R4S3.
[0026] В качестве энергонезависимой памяти для хранения записанной информации была применена микросхема MX25L12835F – представляющая энергонезависимую Flash-память, с напряжением питания 3В и емкостью 128 М Данная микросхема поддерживает протокол QuadSPI, который позволяет передавать за один такт 4 бита информации. Что существенно повышает скорость записи в память. Данная микросхема не имеет встроенного контроллера и имеет ограниченный ресурс ячеек на запись, поэтому контроль целостности записанной информации, обнаружение ошибок и исключение не рабочих блоков памяти должен взять на себя УК.
[0027] На основе анализа существующих на рынке предложений для обеспечения передачи данных по каналам GSM и BLE, а также обеспечения определения местоположения по сигналам ГНСС GPS и ГЛОНАСС была выбрана микросхема SIM868E от SimCOM. Предлагаемый модуль обладает следующими характеристиками:
[0028] Основные характеристики
а) работа в сетях: 850/900/1800/1900 МГц;
б) класс GPRS B multi-slot 12/10;
в) соответствие GSM phase 2/2+
1 – Класс 4 (2 Вт @ 850/900 МГц)
2 – Класс 1 (1 Вт @ 1800/1900 МГц);
г) размеры: 15.7 × 17.6 × 2.3 мм;
д) управление AT командами (3GPP TS 27.007,27.005 и проприетарные АТ команды);
е) диапазон питающего напряжения: 3.4 ... 4.4 В;
ж) низкое энергопотребление;
з) рабочий диапазон температур: -40°С ... 85°С.
[0029] Приемник сигналов ГНСС в составе модуля обладает следующими характеристиками:
а) количество каналов:
1. Сопровождения: 33
2. Захвата: 99;
б) частота обновления координат: до 5 Гц;
в) чувствительность слежению: -166 дБм;
г) холодный старт: -148 дБм;
д) время первого определения координат (TTFF)
1. Холодный старт: 29 с
2. Теплый старт: 22 с,
3. Горячий старт: <1 с;
е) Погрешность
1. Координаты: 2.5 м CEP
2. Скорость: 0.1 м/с.
[0030] Предлагаемый модуль имеет отдельные подключения по последовательному порту для 2G и ГНСС к управляющему контроллеру, что позволяет добиться сохранения информации о времени и альманаха системы ГНСС. Вход резервного питания подключен к питающему напряжению +3.0В, таким образом, в случае пропадания питающего напряжения модуль передачи данных по GSM, эта информация сохранится будет использоваться при следующем включении. Захват спутников и определение координат произойдет значительно быстрее, чем при холодном старте.
[0031] Для передачи данных по LoRaWAN используется трансивер SX1276 от компании Semtech. Используется рекомендованная производителем принципиальная схема обвязки трансивера и радиочастотного тракта. После сборки платы и снятия характеристик радиотракта на векторном анализаторе цепей (ВАЦ), произведена подстройка характеристик для получения максимизации дальности передачи/приема.
[0032] Для подключения к управляющему контроллеру используется протокол SPI, несколько дополнительных сигналов используются для сброса трансивера, для информирования управляющего контроллера о текущем состоянии трансивера.
[0033] Трансивер не имеет в своем составе контроллера, поэтому реализация протокола LoRaWAN выполнена на УК.
[0034] Одним из дополнений к обязательному по требованиям технического задания функционалу разрабатываемого изделия относится программно-аппаратный модуль «обратной связи». Данный модуль позволяет информировать пользователя индивидуального средства защиты о различных событиях как внутренних, так и внешних посредством звукового оповещения.
[0035] Для реализации аппаратной части модуля звукового оповещения был выбран пьезокерамическая диафрагма CBC2065BAL, с резонансной частотой 6,5 кГц, что позволяет однозначно определить на слух факт события. Данный пьезокерамический преобразователь широко доступен на рынке, имеет низкую стоимость, достаточный уровень громкости и компактные габариты диаметр диафрагмы 20мм, толщина 0,5 мм.
[0036] Благодаря низкому току возбуждения данный преобразователь позволяет осуществить его запитку, непосредственно, от микроконтроллера, что позволяет повысить эффективность энергопотребления изделия путем исключения усилительного каскада для запитки пъезопреобразователя.
[0037] К габаритам изделия и печатной платы в ТЗ на устройство-трекер были заданы жесткие требования, так линейные размеры печатной платы не должны превышать 80×80×15 мм. При подготовке к проектированию и производству печатной платы был выполнен анализ для оценки минимального количества слоев печатной платы, обеспечивающих работоспособность изделия в соответствии с требованиями технического задания. На основе проведенного анализа, было выявлено, что четырехслойной печатной платы будет достаточно ля выполнения поставленной задачи.
[0038] Разработка печатной платы производилась в САПР Altium Designer. Применение данного САПР позволило в ходе разработки и проектирования платы свести к минимуму ошибки и недочеты проектирования.
[0039] В результате проектирования была разработана печатная плата со следующими характеристиками:
а) количество слоев – 4;
б) минимальная ширина дорожки – 0,2 мм;
в) минимальный зазор – 0,1 мм;
г) диаметр переходного отверстия – 0,25 мм;
д) кольцо переходного отверстия – 0,15 мм.
[0040] На верхнем слое печатной платы расположены УК, NOR хранилище данных, модуль передачи данных SIM868E, трансивер LoRaWAN с обвязкой и сенсоры.
[0041] На оборотной стороне платы расположены антенны четырех протоколов и интерфейсов: GSM, ГНСС, Bluetooth, LoRaWAN. Так же там расположен импульсный преобразователь, питающий GSM модуль и линейный преобразователь, питающий остальную часть схемы. Разъем для карты Nano-SIM и кнопка сброса управляющего контроллера.
[0042] Промышленная применимость устройства доказывается тем, что изготовление печатной платы монтаж электронных компонентов на плату производились сторонней организацией ООО «Резонит». В результате было изготовлено 5 печатных плат, три из которых использовались для отладочных и отработочных испытаний отдельных элементов изделия. Остальные две платы были использованы для производства двух опытных образцов изделия для проведения испытаний в реальных условиях применения.
[0043] Изготовление опытных образцов устройства-трекера производилось на том же предприятии, что и изготовление печатных плат. Монтаж и пайка электронных компонентов производилась ручным способом, т.к. изготавливаемый объем изделий не целесообразно изготавливать роботизированным методом.
[0044] Изготовление печатной платы и опытных образцов на одном предприятии позволило избежать временных задержек, связанных с логистикой, а также провести электрический тест изготовленных плат и изделий.
[0045] При нахождении устройства внутри помещения сигнал со спутников может либо полностью отсутствовать, что означает невозможность вычислить географические координаты, либо координаты, определенные модулем ГНСС, на основании сигналов ГНСС имеют низкую точность и значительный разброс, ввиду недостаточной видимости спутников.
[0046] Согласно данному решению, разрабатываемый научно-технический продукт должен реализовывать функцию получения географической позиции как внутри помещения, так и снаружи. В связи с этим разработан механизм расчета координат, не зависящий от наличия и уровня сигналов ГНСС.
[0047] При выборе способа определения координат устройства внутри помещений могут быть использованы следующие группы методов:
а) визуальные;
б) счисление координат;
в) радиочастотные.
[0048] В основе визуальных методов лежит анализ видеопотока. По расположению устройств видеофиксации можно разделить на
а) стационарные;
б) носимые.
[0049] В случае стационарного расположения устройства видеофиксации задача анализа видеопотока сводится к идентификации объекта наблюдения и переходу из системы координат кадра в географическую систему. Согласно данному описанию разрабатываемое устройство интегрируется в каску, поэтому для обеспечения возможности идентификации объекта достаточно нанести на каску цифровой или QR-код.
[0050] Преимущества
отсутствие энергозатрат на носимом устройстве;
высокая точность определения координат в случае успешной идентификации.
[0051] Недостатки:
сложность внедрения/построения инфраструктуры;
большие вычислительные мощности.
[0052] Носимые устройства описываются ниже.
[0053] При реализации видеофиксации на носимом устройстве вычисление географических координат производится при обнаружении в кадре определенного “маркера”. В качестве маркеров могут служить стационарные объекты либо специальные графические\QR-коды, наносимые в помещении, где необходимо осуществлять позиционирование.
[0054] Преимущества
простота внедрения относительно стационарного метода.
[0055] Недостатки
большая вычислительная нагрузка на носимом устройстве;
использование маркеров не всегда возможно.
[0056] Зная исходную географическую координату и положение устройства в пространстве и имея данные с акселерометра, гироскопа и магнетометра, можно рассчитать перемещение устройства путем интегрирования по времени.
[0057] Преимущества
нет необходимости в инфраструктуре.
[0058] Недостатки
накопление ошибки с течением времени;
требуется знание исходной координаты.
[0059] Общей чертой данных методов является наличие радиосигнала, по свойствам которого рассчитывается положение устройства в пространстве.
[0060] По схеме взаимодействия приемник-передатчик методы можно разделить на следующие группы:
а) стационарные приемники, носимый передатчик;
б) стационарные передатчики, носимый приемник;
в) комбинированные.
[0061] По используемому способу вычисления позиции можно разделить на следующие:
а) Time of Arrival (ToA)- расстояние от передатчика до приемника определяется по времени передачи сигнала. Требуется синхронизация узлов по времени;
б) Angle of Arrival (AoA) - расчет угла поступления сигнала от передающих устройств. Требуется специализированный аппаратный модуль - массив антенн;
в) Cell Identification (Cell_ID) - за позицию устройства принимается позиция стационарного передатчика с самым сильным сигналом
г) Time Difference of Arrival(TDoA) - аналогичен ToA, но не требует синхронизации времени;
д) Radio Fingerprinting(RF) - создание карт уровней сигнала от передатчиков. Для определения координаты осуществляется поиск участка, максимально соответствующего текущим входным данным с передатчиков;
е) RSSI - расстояние от приемника до передатчика рассчитывается исходя из мощности сигнала, полученного приемником.
[0062] По типу используемой технологии приемо-передачи радиосигнала на:
а) GSM,
б) Wi-Fi,
в) RFID,
г) UWB,
д) Bluetooth.
[0063] Метод определения позиции устройства по информации от вышек сотовой связи. Без специфического оборудования возможно применять методы расчета позиции: RSSI, Cell_ID, RF.
[0064] Преимущества:
используется готовая инфраструктура;
нет необходимости установки дополнительного модуля в носимом устройстве.
Недостатки:
низкая точность в помещениях и при малом количестве вышек связи;
невозможность расширения покрытия.
[0065] Для определения положения используются данные от точек доступа беспроводных сетей Wi-Fi. Возможно применение методов RSSI, Cell_ID, RF.
[0066] Преимущества:
возможность использования готовой инфраструктуры;
возможность расширения покрытия.
Недостатки:
энергозависимость точек доступа;
высокое потребление модуля на носимом устройстве.
[0067] RFID система состоит из двух компонентов: сканера и метки. Типы меток: пассивная, активная, полупассивная. В случае с пассивной меткой сканер должен передать сигнал такой силы, чтобы энергии, полученной меткой, хватило на ответ сканеру. Подобная конфигурация как правило ограничена радиусом действия 5-10см, в противном случае требуется использование мощных сканеров либо переход к активным/полупассивным меткам.
[0068] Для целей позиционирования технология RFID может быть применена как в исполнении со стационарным сканером, так и с носимым.
[0069] RFID со стационарными сканерами
[0070] Преимущества:
низкое(либо отсутствие, в случае с пассивной меткой) энергопотребление модуля RFID на носимом устройстве.
Недостатки:
сложность подготовки инфраструктуры (установка крупногабаритных сканеров);
низкая точность (детектируется факт нахождения метки в области действия сканера).
[0071] RFID c носимым сканером.
[0072] Преимущества:
простота подготовки инфраструктуры.
[0073] Недостатки:
большие габариты антенны;
необходимость использовать активные метки.
[0074] Относительно новая для гражданского применения технология. За счет физических особенностей протокола сигнал обладает хорошей проницаемостью через препятствия, устойчив к переотражениям. Механизмы ToA и TDoA поддерживаются на уровне чипа, что обеспечивает субметровую точность позиционирования. Носимое устройство(метка) излучает периодический сигнал, получаемый несколькими приемниками (анкерами). На основании ToA рассчитываются расстояния до устройства, методом трилатерации вычисляется координата.
[0075] Преимущества
сверхвысокая точность < 30 см;
низкое потребление носимого передатчика.
Недостатки:
сложная инфраструктура. Анкера энергозависимы, должны быть объединены в сеть и синхронизированы по времени;
недоступность оборудования.
[0076] Наиболее распространенная технология для позиционирования внутри помещений Bluetooth. Возможно применение методов RSSI, Cell_ID, RF. С появлением стандарта Bluetooth 5.1 стало возможно применение метода AoA, но в виду отсутствия необходимого оборудования на момент начала исследования данный метод не рассматривался. Построение инфраструктуры для позиционирования заключается в расстановке ble-маяков, работающих от батареи и излучающих периодический сигнал.
[0077] Преимущества
доступность оборудования;
простой механизм подготовки инфраструктуры;
достижимая точность на уровне 3-5 м.
[0078] Для носимого устройства один из критичных факторов выбора - энергоэффективность, по этому критерию отсеялись методы определения местоположения RFID c носимым сканером, Wi-Fi и визуальный носимый.
[0079] По возможности расширения зоны действия не подходит метод на основе сигналов GSM.
[0080] Счисление координат - как самостоятельный метод не удовлетворяет требованиям по точности из-за накапливающейся со временем ошибки. Его можно рассмотреть, как дополнительный механизм улучшения точности на небольших временных интервалах в случае расширения общего функционала изделия.
[0081] В рамках исследования было решено отказаться от методов, требующих сложной инфраструктуры: RFID со стационарным сканером, Визуальный стационарный.
[0082] UWB - наиболее точный из рассмотренных, но также требующий организации инфраструктуры для работы. Помимо этого, не было найдено оборудования, готового для интеграции с разрабатываемым устройством. Ввиду этого пришлось отказаться от данного варианта. Тем не менее UWB - весьма перспективная технология, требующая дальнейших исследований.
[0083] Методом исключения технологий определения местоположения внутри помещения была выбрана технология Bluetooth.
[0084] Алгоритм реализует функционал сканирования bluetooth-устройств, поиск среди них маяков iBeacon, фильтрацию iBeacon-пакетов по определенным признакам:
а) proximity UUID,
б) major number,
в) minor number,
г) RSSI.
[0085] Полученные при сканировании данные о маяках сохраняются в flash-память и затем передаются на сервер для последующей обработки.
[0086] Данные накапливаются и отправляются с задаваемой периодичностью. По умолчанию этот параметр составляет 10 с.
[0087] В целях экономии пространства flash-памяти записываемые результаты сканирования были ограничены фильтром, отбирающим только четыре устройства с максимальными значениями RSSI. Данное количество позволяет реализовать любой из механизмов определения координат, доступный для технологии bluetooth: RSSI, Cell_ID, RF.
[0088] Окончательное определение местоположения изделия осуществляется при обработке на сервере. Каждый маяк привязан к определенной географической точке. На текущем этапе используется механизм Cell_ID - из списка переданных на сервер маяков выбирается элемент с наибольшим RSSI, по mac-адресу устанавливается соответствие маяка и географической координаты.
[0089] После выбора основного алгоритма и технологии определения местоположения внутри помещения необходимо было определить минимальное время работы разработанного устройства для этого были проведены замеры продолжительности работы при постоянно включенных для сканирования и передачи данных модулях: Bluetooth, ГНСС, GSM. Результаты замеров приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты замера продолжительности работы изделия при постоянно включенных модулях Bluetooth, ГНСС, GSM.
Номер испытания | 18:00 | 20:00 | 22:00 | 24:00 | Время разряда | Время работы |
1 | 100% | 76% | 50% | 24% | 00:45 | 06:45 |
2 | 100% | 75% | 48% | 20% | 00:44 | 06:44 |
3 | 100% | 77% | 53% | 29% | 01:31 | 07:31 |
4 | 100% | 77% | 49% | 23% | 01:27 | 07:27 |
5 | 100% | 76% | 49% | 22% | 00:33 | 06:33 |
6 | 100% | 75% | 48% | 21% | 00:39 | 06:39 |
7 | 100% | 77% | 44% | 15% | 00:34 | 06:34 |
8 | 100% | 72% | 49% | 22% | 00:44 | 06:44 |
9 | 100% | 76% | 51% | 25% | 01:04 | 07:04 |
[0090] Анализируя данные, приведенные в таблице 2 можно сделать вывод, что среднее значение продолжительности работы изделия при постоянно включенных модулях составляет 7 ч. Это значение можно определить как минимальное время работоспособности устройства-трекера.
[0091] Для увеличения продолжительности работы в настройки работы изделия были добавлены настроечные параметры:
а) Scan Period – параметр, устанавливающий продолжительность сканирования;
б) Scan Interval – параметр устанавливающий время между сканированиями (во время этого интервала модуль bluetooth отключается).
[0092] После ведения настроечных параметров был проведен повторный замер продолжительности работы устройства-трекера. Замеры производился при следующих значениях параметров Scan Period = 2 c, Scan Interval = 30 c. Результаты измерений приведены в таблице 3.
[0093] Таблица 3 – Измерения продолжительности работы при значениях параметров Scan Period = 2c, Scan Interval = 30c.
Номер испытания | 00:00 | Время разряда | Длительность работы, минут |
1 | 100% | 09:32 | 572 |
2 | 100% | 09:48 | 588 |
3 | 100% | 09:20 | 560 |
4 | 100% | 09:05 | 565 |
5 | 100% | 09:42 | 582 |
6 | 100% | 09:14 | 554 |
7 | 100% | 09:43 | 583 |
[0094] Анализируя данные таблицы 3, можно сделать вывод о том, что применение «политики» ограничения времени работы bluetooth модуля в составе изделия позволяет увеличить время автономной работы изделия в среднем в полтора раза (от 7 до примерно 10 часов непрерывной работы).
[0095] Для реализации программного модуля переключения алгоритмов позиционирования внутри/снаружи помещений был проведен анализ вариантов решения задачи.
[0096] При позиционировании вне помещений в качестве источника данных используется аппаратный модуль ГНСС, внутри помещений используется механизм позиционирования, основанный на данных ble-маяков, полученных при сканировании. Предполагается, что в помещениях, в которых необходимо осуществлять позиционирование, маяки уже установлены и зарегистрированы на сервере.
[0097] Исходя из предположения о том, что оба источника данных работают независимо и поставляют информацию о местонахождении одновременно, то задача переключения алгоритмов позиционирования сводится к задаче выбора источника данных.
[0098] Возможные варианты решения:
а) Выбор источника с наибольшей точностью;
б) Выбор источника исходя из текущего географического положения/из наличия поблизости ble-маяков;
в) Ручной выбо.
[0099] Если же необходима реализация попеременной работы модулей позиционирования, помимо задачи выбора источника данных необходимо решить задачу управления аппаратными модулями, выработки правил включения/выключения и подбора оптимальных параметров. Необходимо отметить, что в случае необходимости отключения ГНСС-модуля время на поиск при повторном включении может быть увеличено, ввиду устаревания сохраненных в памяти данных эфемерид систем ГНСС (холодный старт).
[00100] Исходя из того, что при попеременной работе модулей качество определения координат устройства не может быть лучше качества при одновременной работе, при этом сложность реализации возрастает было принято решение использовать схему с независимой одновременной работой модулей позиционирования.
[00101] Касаемо вопроса выбора источника данных: тема определения точности координаты по данным ГНСС/ bluetooth нуждается в проработке и заслуживает отдельного исследования, ручной выбор источника не подходит в условиях периодического нахождения устройства внутри/вне помещений, поэтому в качестве решающего фактора для выбора источника данных был выбран факт присутствия вблизи устройства ble-маяков.
[00102] Для решения задачи переключения алгоритмов позиционирования внутри/снаружи помещений был разработан алгоритм, который осуществляет анализ результатов сканирования ble-устройств и обработку данных аппаратного ГНСС-модуля. Для «отсева» данных местоположения по сигналам ГНСС применен программируемый параметр – ble_timeout. При наличии в результате очередного сканирования ble-маяков данные ГНСС-модуля игнорируются в течение ble_timeout секунд. В модуле позиционирования внутри помещений был добавлен дополнительный пороговый параметр фильтрации threshold для отсеивания маяков с уровнем сигнала ниже заданного.
[00103] В рамках настоящей реализации был проведен анализ работы аппаратного ГНСС-модуля (интегрированного в модуль Simcom 868) в трех режимах:
а) Glonass+GPS,
б) только GPS,
в) AlwaysLocate – «интеллектуальный» режим работы модуля, зависящий от условий окружающей среды и параметров движения объекта, в этом режиме внутренне ПО модуля пытается достичь баланса между точностью позиционирования и временем работы модуля.
[00104] В результате исследования и анализа наилучшее качество точности определения местоположения было достигнуто в режиме Glonass+GPS с постоянным обновлением координат. В режиме AlwaysLocate –выявилось наличие множества пропущенных точек на маршруте.
[00105] Полученные результаты можно объяснить следующим в режиме постоянной работы по сигналам 2-х ГНСС (Glonass+GPS) приемник имеет постоянную доступность сигналов НКА и имеет возможность выбора сигналов от НКА ГНСС с наилучшим геометрическим фактором, следовательно, обеспечить лучшую точность определения координат.
[00106] Режим AlwaysLocate – подходит в основном для медленно перемещающихся объектов, т.к. за время отключения и включения приемника не происходит значительного изменения координат и устаревания эфемерид ГНСС.
[00107] По способу предоставления доступа сети можно разделить на публичные и частные.
[00108] В случае публичного доступа любой пользователь имеет возможность подключиться к данной сети при заключении контракта/подписки с оператором сети, при этом поддержка всей необходимой инфраструктуры осуществляется оператором.
[00109] Частные (или приватные) сети предназначены для доступа ограниченного круга лиц/устройств. Использование частных сетей актуально для организаций с высокими требованиями к защите информации либо находящихся вне зоны действия публичных сетей. При этом развертывание и поддержка инфраструктуры находится в зоне ответственности организации-пользователя сети.
[00110] В случае необходимости работы IoT-платформы в частных сетях необходимо учитывать факторы и ограничения, связанные с функционированием частных сетей:
[00111] Отсутствие доступа в глобальную сеть.
[00112] Частные сети могут быть изолированы от глобальной сети либо из соображений безопасности, либо по причине невозможности реализовать доступ. В связи с этим возникают следующие задачи:
а) Необходимость обеспечения работы серверной части в условиях отсутствия Интернет
б) Невозможность удаленного обновления устройств/платформы
в) Невозможность оперативного решения проблем
[00113] Частные сети дают широкие возможности для настройки, развертывание инфраструктуры и настройка сетей в каждом конкретном случае будет иметь индивидуальные особенности. Для внедрения IoT-платформы требуется настройка с учетом особенностей сети, при этом необходимо учитывать следующие основные особенности частных сетей:
а) Необходимость настройки сервисов для функционирования платформы/устройств: ntp, dns, СУБД и т.д.
б) Необходимость настройки устройств для работы в частной сети
в) Ограничения по трафику/рабочему циклу при работе устройств
[00114] Частные сети поддерживаются в рабочем состоянии силами организации-пользователя сети, либо подрядной организации. На объектах может отсутствовать высококвалифицированный персонал, а как следствие, в случае возникновения неисправностей в работе сети сроки их устранения могут быть значительно выше, чем в случае с публичными сетями.
[00115] Данные особенности необходимо учитывать при внедрении IoT-платформы в рамках частных сетей. Для минимизации издержек при внедрении/эксплуатации от компонентов системы требуется максимальный уровень отказоустойчивости и автоматизация процессов развертывания/обслуживания.
[00116] Расчет емкости сети основан на материалах, опубликованных на сайте ITech «Технологии связи».
[00117] Каждый пакет, передаваемый по сети LoRaWAN, включает в себя преамбулу и блок данных физического уровня. Количество символов в преамбуле является конфигурируемым в диапазоне 6..65535.
[00118] Количество символов в блоке данных физического уровня определяется следующей формулой:
где PL= 12 + FRM – количество байт полезных данных в блоке физического уровня (PHYPayload);
FRM – количество байт полезных данных на уровне приложения (FRMPayload);
SF – коэффициент расширения спектра;
CRC = 1, когда передача поля CRC блока полезной нагрузки включена и CRC=0 – когда выключена;
H=0, когда передача заголовка (PHDR + PHDR_CRC) включена и H=1 – когда заголовок отсутствует;
DE=1, когда оптимизация для низких скоростей передачи включена и DE=0 – когда выключена (для SF=11 и SF=12 оптимизация скоростей передачи должна быть включена);
CR=1..4 – скорость кода;
ceil – операция округления до ближайшего большего целого числа.
Длительность передачи преамбулы:
Длительность передачи блока данных физического уровня:
Длительность передачи всего пакета по сети LoRaWAN:
W – Ширина полосы одного частотного радиоканала (125кГц)
[00119] Таблица 4 –зависимость длительности передачи одного символа от коэффициента расширения спектра SF
SF | 7 | 8 | 8 | 10 | 11 | 12 |
W, кГц | 125 | 125 | 125 | 125 | 125 | 125 |
Tsym, мс | 1,024 | 2,048 | 4,096 | 8,192 | 16,384 | 32,768 |
[00120] Результаты расчета времени, необходимого для передачи одного UL-пакета (с полезной нагрузкой 10 байт) между конечным устройством (End Node) и сервером приложений (Application Server) приведены в таблице 5.
Таблица 5 – Результаты расчета времени, необходимого для передачи одного UL-пакета (с полезной нагрузкой 10 байт)
Коэффициент расширения спектра | SF | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
Полоса радиоканала | W, кГц | 125 | 125 | 125 | 125 | 125 | 125 |
Длительность передачи 1-го символа | T sym , мс | 1,024 | 2,048 | 4,096 | 8,192 | 16,384 | 32,768 |
Кол-во символов в преамбуле (6-65535) | n preamble | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
Полезные данные (FRMPayload) | FRM, байт | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
Физический блок данных (PHYPayload) | PL, байт | 23 | 23 | 23 | 23 | 23 | 23 |
Флаг включения заголовка в пакет: 0 - включен, 1 - выключен |
H | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Флаг включения CRC в пакет: 1 - включен, 0 - выключен |
CRC | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Флаг включения оптимизации скоростей: 1 - включена, 0 - выключена |
DE | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Скорость кодирования: 1 - 4/5 2 - 4/6 3 - 4/7 4 - 4/8 |
CR | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Кол-во символов в блоке данных | payloadSymNb | 48 | 43 | 38 | 33 | 38 | 33 |
Длительность передачи преамбулы | T preamble , мс | 10,50 | 20,99 | 41,98 | 83,97 | 167,94 | 335,87 |
Длительность передачи блока данных | T payload , мс | 49,15 | 88,06 | 155,65 | 270,34 | 540,67 | 917,50 |
Длительность передачи всего пакета | T packet , мс | 59,65 | 109,06 | 197,63 | 354,30 | 708,61 | 1 253,38 |
[00121] Результаты расчета времени, необходимого для передачи одного DL-пакета без поля FRMPayload приведены в таблице 6.
Таблица 6 – Расчет времени, необходимого для передачи одного DL-пакета без поля FRMPayload
Коэффициент расширения спектра | SF | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
Полоса радиоканала | W, кГц | 125 | 125 | 125 | 125 | 125 | 125 |
Длительность передачи 1-го символа | T sym , мс | 1,024 | 2,048 | 4,096 | 8,192 | 16,384 | 32,768 |
Кол-во символов в преамбуле (6-65535) | npreamble | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
Полезные данные (FRMPayload) | FRM, байт | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Физический блок данных (PHYPayload) | PL, байт | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
Флаг включения заголовка в пакет: 0 - включен, 1 - выключен |
H | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Флаг включения CRC в пакет: 1 - включен, 0 - выключен |
CRC | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Флаг включения оптимизации скоростей: 1 - включена, 0 - выключена |
DE | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Скорость кодирования: 1 - 4/5 2 - 4/6 3 - 4/7 4 - 4/8 |
CR | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Кол-во символов в блоке данных | payloadSymNb | 28 | 23 | 23 | 18 | 23 | 18 |
Длительность передачи преамбулы | T preamble , мс | 10,50 | 20,99 | 41,98 | 83,97 | 167,94 | 335,87 |
Длительность передачи блока данных | T payload , мс | 28,67 | 47,10 | 94,21 | 147,46 | 294,91 | 589,82 |
Длительность передачи всего пакета | T packet , мс | 39,17 | 68,10 | 136,19 | 231,42 | 462,85 | 925,70 |
[00122] LoRaWAN устройства класса "A" используют произвольный (не синхронизированный) доступ к общей среде передачи. При этом временные интервалы отправки пакетов планируются конечными устройствами на основе собственных потребностей. Данный механизм доступа представляет из себя протокол типа "чистая ALOHA" (pure ALOHA)
[00123] Оценка пропускной способности системы "чистая ALOHA" определяется при следующих предположениях:
пользовательские данные, предназначенные для передачи, поступают на терминалы случайно, образуя пуассоновский поток;
отброшенные из-за ошибок передачи пакеты передаются повторно, образуя также пассоновский поток;
все пакеты данных имеют одинаковую длину и передаются одинаковое время;
в сети находится бесконечное число удалённых терминалов.
[00124] В этом случае:
Вероятность того, что за время передачи одного пакета T поступит еще k пакетов от всех терминалов сети, определяется формулой Пуассона:
[00125] где G – интенсивность поступления пакетов (или среднее число сообщений для передачи, появившееся на всех терминалах сети за время T).
[00126] Коллизия не возникнет, если на интервале передачи сообщения, а также на одном предшествующем интервале не появятся еще пакеты для передачи от других конечных устройств сети (k=0). Следовательно, вероятность успешной передачи составляет
[00127] Среднее число успешно переданных за время T пакетов, т.е. пропускная способность сети, составляет
[00128] Максимальное значение пропускной способности достигается при интенсивности поступления пакетов (G) равной 0,5 и составляет 0,184 (при этом вероятность потери пакетов из-за коллизии – PLOSS составит 63%). При интенсивности поступления пакетов (G) равной 0,0256 вероятность потери пакетов из-за коллизии (p_LOSS) составляет 5%.
[00129] Рассмотрим сеть LoRa со следующими характеристиками:
а) кол-во радиочастотных каналов (Nf) – 8;
б) кол-во символов в преамбуле (npreamble) – 6;
в) средний размер полезных данных, передаваемых в поле FRMPayload – 10 байт;
г) средняя частота передачи пакетов одним конечным устройством – 1 пакет в минуту;
д) передача заголовка включена (explicit mode – H=0), передача CRC включена (CRC=1), оптимизация скоростей выключена (DE=0);
е) скорость кодирования (CR) – 4/5;
ж) пакеты передаются от конечных устройств с последующим подтверждением доставки от сетевого сервера в первом временном окне;
з) допустимая вероятность потери пакетов из-за коллизий (ploss) – 5%;
и) совмещение по времени в одном радиоканале двух пакетов от различных источников считается коллизией независимо от используемых коэффициентов расширения спектра (SF).
[00130] Если используется режим с подтверждением получения сетевым сервером каждого пакета от конечного устройства (с передачей этикетки подтверждения в первом временном окне приема), то в качестве времени передачи одного сообщения возьмем суммарное время передачи пакета данных конечным устройством и передачи этикетки подтверждения. Значения метрики исследуемой сети LoRa от коэффициента расширения спектра представлено в таблице 7.
Таблица 7 – Зависимость метрик исследуемой сети LoRa от коэффициента расширения спектра SF
Коэффициент расширения спектра | SF | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
Вероятность коллизии | p | 5% | 5% | 5% | 5% | 5% | 5% |
Кол-во частотных каналов | N f | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
Кол-во пакетов на устройство в сутки | N ENpackets | 1440 | 1440 | 1440 | 1440 | 1440 | 1440 |
Длительность передачи одного UL пакета | T ULpacket , мс | 59,65 | 109,06 | 197,63 | 354,30 | 708,61 | 1253,38 |
Длительность передачи одного DL пакета | T DLpacket , мс | 39,17 | 68,10 | 136,19 | 231,42 | 462,85 | 925,70 |
Нагрузка на 1 канал, Эрл (= доля задействования 1-го канала для передачи трафика) | A | 0,0256 | 0,0256 | 0,0256 | 0,0256 | 0,0256 | 0,0256 |
Кол-во пакетов на LoRa GW в сутки, тыс. шт. | N LGpackets | 179,06 | 90,67 | 53 | 30,21 | 15,1 | 8,12 |
Кол-во устройств на LoRa GW, шт. | N EN | 124 | 62 | 36 | 20 | 10 | 5 |
[00131] При требовании ploss = 5% накладывается жесткое ограничение на интенсивность передачи пакетов, что приводит к невозможности использования большого количества конечных устройств с высокой частотой передачи данных (1 раз в минуту).
[00132] Снижать требование ploss не целесообразно при необходимости передачи пакета за минимальное число итераций. Возможные решения данной проблемы это:
а) Уменьшение частоты передачи данных
б) Применение протокола, минимизирующего количество коллизий
[00133] Уменьшение частоты передачи - решение очевидное, но не применимое в случаях, когда требуется передача данных с частотой не ниже заданной.
[00134] Для изучения вопроса применения усовершенствованных протоколов на основе LoRaWAN требуется дополнительное исследование реализованных протоколов.
[00135] Примерами таких протоколов могут служить:
а) Дискретная ALOHA
б) TDMA
в) Reservation ALOHA.
[00136] Зная длительность DL-пакета, можно рассчитать теоретический предел сети LoRaWAN c указанными выше ограничениями.
[00137] Предположим, что для DL-пакетов используется полоса радиочастот с ограничением 10% на рабочий цикл. Тогда общее количество пакетов для соответствующего коэффициента расширения вычисляется по формуле:
(0.1 24 3600)/TDLpacket.
[00138] Результаты оценки метрики сети при заданных параметрах приведены в таблице 8.
Таблица 8 – Зависимость метрики сети от коэффициента расширения спектра при заданных ограничениях ГКРЧ
Коэффициент расширения спектра | SF | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
Кол-во пакетов на устройство в сутки | N ENpackets | 1440 | 1440 | 1440 | 1440 | 1440 | 1440 |
Длительность передачи одного DL пакета | T DLpacket , мс | 39,17 | 68,10 | 136,19 | 231,42 | 462,85 | 925,70 |
Кол-во DL пакетов на LoRa GW в сутки, тыс. шт | N DL | 221,5 | 126,8 | 63,44 | 37,33 | 18,66 | 9,33 |
Кол-во устройств на LoRa GW, шт. | N EN | 153 | 88 | 44 | 25 | 12 | 6 |
Таким образом, при схеме передачи с подтверждением теоретический максимум конечных устройств на базовую станцию незначительно отличается от значений, полученных для модели 1.
[00139] Единственный способ значительного увеличения количества устройств в условиях Российского законодательства без применения лицензируемых радиочастот - увеличение интервалов отправки данных.
[00140] Для оптимизации процесса разработки и ускорения выхода на рынок с готовым устройством, был использован готовый стек LoRaWAN от компании IBM распространяемый под лицензией Eclipse Public License v1.0, который был оптимизирован под задачу и аппаратную часть.
[00141] Для передачи данных по LoRaWAN используется А класс устройств, как наиболее энергоэффективный. Протокол обмена данными между удаленной точкой и базовой станцией использует временное разделение канала для двунаправленной передачи (дуплекс). Инициатором передачи информации выступает удаленная точка, она отправляет пакет с данными и ждет ответа от базовой станции, который может прийти в двух «окнах» приема RX1 и RX2.
[00142] Задача стека LoRaWAN имеет высший приоритет, так же для измерения точных временных промежутков используется аппаратный таймер контроллер TIM7.
[00143] Получение доступа к сети передачи данных происходит по алгоритму Over-The-Air-Activation (далее OTAA). В нем для подключения удаленной точки к сети передачи данных необходимо передать уникальный идентификационный номер устройства и номер приложения, которому устройство будет отправлять данные. Сервер приложений проверяет запрос и если такое устройство настроено на доступ к нему, то генерирует сессионный ключ шифрования для данных, базовая станция генерирует сессионный ключ шифрования для радио. Уникальный номер и номер приложения записываются в настройки устройства в момент конфигурации или производства и хранятся во внутренней энергонезависимой памяти, не доступной для чтения.
[00144] Пропускная способность протокола LoRaWAN очень ограниченна. Основной сценарий использования этой технологии, это сбор данных с датчиков типа электросчетчиков, водомерных счетчиков и т.п. Отправляя показания два раза в сутки, такие устройство от одной батареи могут работать годами.
[00145] В нашем случае количество передаваемой информации гораздо больше, примерный расчет показывает, что это около 40 байт в секунду. Передается информация от сенсоров, состояние батареи, информация о положении в пространстве ГНСС, метки маяков Bluetooth 1и др. Из этого следует, что как основной канал передачи данных LoRaWAN не подходит, но отлично подходят как резервный канал для больших дистанций. В этом случае через него будет передаваться только самая важная информация:
а) Событие определения удара - немедленно
б) Событие определения падения - немедленно
в) Состояние батареи - редко
г) Положение в пространстве ГНСС – редко
[00146] Основным каналом передачи данных является передача данных по GSM. При отсутствии связи GSM осуществляется переход на отправку только важных данных по LoRaWAN.
[00147] Алгоритм работы переключения состоит из следующих основных действий:
1) Передача данных по GSM;
2) При потере связи с GSM, переходим в процедуру установки соединения с GSM, обнуляем счетчик попыток;
3) После N неудачных попыток подключения по GSM, модуль GSM отключается, включается режим отправки только важных данных по LoRaWAN;
4)Передача данных по LoRaWAN;
5) Периодически с задаваемым значением задержки в минутах, производится проверка доступности GSM соединения, если соединение отсутствует, то производится возврат к пункту 4;
6) При появлении соединения GSM, установка связи, выход из режима только важные данные и переход на п.1.
[00148] Параметры алгоритма переключения, такие как количество попыток подключения GSM, таймауты ожидания и пр. настраиваются в процессе эксплуатации и могут быть изменены в любой момент времени. Все они хранятся во внутренней энергонезависимой памяти не доступной на чтение.
[00149] В данном случае предполагается, что с основным устройством может присутствовать заранее известный и определенный набор датчиков. Связь устройство-датчик задается командой устройству, затем устанавливается mac-адрес известного внешнего датчика, с которого необходимо принимать информацию. Таким образом, все данные, получаемые с внешних устройств неразрывно связаны с основным устройством. На основании этого было принято решение выводить единую таблицу, отображающую состояние как внутренних, так и внешних сенсоров. Графический вид отображаемой таблицы данных представлен на рисунке 8.1.
[00150] При этом в зависимости от состава данных внешнего датчика возможны следующие варианты взаимодействия изделия и датчиков:
Полезных данных нет, важен факт присутствия датчика (СИЗ)
[00151] В текущей реализации для каждого устройства возможно задать до пяти внешних bluetooth-устройств, присутствие которых необходимо проверять.
Полезные данные дублируют данные внутренних датчиков (угол наклона, движение)
[00152] В данном случае источник данных, используемых как основные, задается командой на устройстве.
Полезные данные дополняют данные внутренних датчиков (пульс, давление)
[00153] В базу данных добавляется таблица, соответствующая новому типу данных, в интерфейс вносится дополнительная строка, отображающая дополнительную информацию.
[00154] В данном случае полный список внешних устройств, взаимодействующих с основным устройством заранее неизвестен, информация с внешнего ble-устройства может поступать на несколько изделий. Что бы не допустить коллизий и дублирования хранимых данных от внешних датчиков необходимо однозначно определять, от какого датчика поступила информация, а также точное время поступления данных на устройство (при этом все изделия-трекеры должны находиться в единой временной шкале (время на принимающих устройствах должно быть синхронизировано).
[00155] Вопрос взаимной синхронизации изделий решается путем обновления системного времени устройства одним из следующих способов:
Получение времени GSM-сети
Запрос к NTP-серверу
Получение времени по GNSS
[00156] Для однозначной идентификации внешнего датчика было принято решение сделать из него независимую сущность в рамках IoT-платформы, аналогичную сущности устройства-трекера, с собственным набором хранимых данных. В данную сущность добавлен атрибут “mac-адрес” с требованием уникальности.
[00157] Для обеспечения работы устройства-трекера в режиме сбора данных с множественных устройств был доработан протокол передачи данных от устройства на сервер - добавлено новое сообщение, в рамках которого передается mac-адрес внешнего ble-устройства, точное время поступления данных, а также сами данные в бинарном формате.
[00158] При поступлении данных на сервер по mac-адресу определяется целевое устройство-источник данных, с которым необходимо ассоциировать полученную информацию. По временной метке устанавливается факт дублирования данных - при наличии идентичной временной метки в базе данных вновь поступившие данные игнорируются. Обработка бинарных данных осуществляется согласно правилам, определенным для типа внешнего устройства.
[00159] Отображение полученных данных от внешнего ble-устройства осуществляется аналогично устройству-трекеру. Полный перечень выводимых полей зависит от типа внешнего устройства.
[00160] Программная часть состоит из таймера микроконтроллера (в данном случае TIM1) генерирующего меандр для возбуждения излучателя. В качестве таймера задающего длительность сигнала используется таймер операционной системы. При поступлении команды на включение излучателя производится включение таймера-генератора и запуск таймера-задержки. По срабатыванию таймера-задержки осуществляется остановка и сброс таймер-генератора и таймера-задержки до следующего поступления команды включения.
[00161] Для поддержки удалённого оповещения данный функционал включён в систему команд изделия и вызывается по команде < beep xxx > где xxx – длительность сигнала в миллисекундах ( например – < beep 1000 > – подать сигнал длительностью 1000 мС – 1 секунда ).
[00162] Реализованная в изделии дополнительная функция позволяет обеспечить информирование пользователя о различных событиях при минимальных затратах ресурсов микроконтроллера.
[00163] В соответствии с техническим заданием, разрабатываемое устройство должно определять и регистрировать факт наступления следующих событий:
Удар
Падение
Движение
Передача сигнала тревоги
[00164] В качестве аппаратной платформы для реализации требуемых функций был выбран 6-и осевой акселерометр LSM6DS3.
[00165] После анализа возможностей настройки и работы акселерометра было принято решение использовать аппаратное прерывание, генерируемое при нахождении устройства в невесомости для регистрации падений с высоты. Подробное описание работы алгоритма приведено в документации в эксплуатационной документации на акселерометр. [https://www.st.com/resource/en/application_note/dm00472670-lsm6ds3trc-alwayson-3d-accelerometer-and-3d-gyroscope-stmicroelectronics.pdf ]
[00166] Акселерометр имеет встроенные функции определения превышения порогового значения ускорения, которые возможно использовать для решения задач детектирования ударов и движения/неподвижности, но для возможности более детального анализа данных событий (интенсивность, характер движения, защита от ложных срабатываний, сила и продолжительность удара) было решено разработать и реализовать в изделии собственные программные реализации данных функций.
[00167] Для детектирования движения был использован следующий алгоритм:
[00168] При определении состояния покоя устройства необходимо исключить фактор гравитации из данных акселерометра, для этого применяется следующий алгоритм:
[00169] Пусть RAti = (rax,ti , ray,ti , raz,ti ) - сырые данные акселерометра (значения ускорений в каждой из трех плоскостей), гравитационная составляющая вычисляется применением фильтра:
Gti = α· Gti− 1 + (1 − α) · Rati (10.1),
где α - параметр из интервала (0-1) по умолчанию в изделии установлено значение 0.8.
[00170] Тогда линейное ускорение вычисляется по формуле:
FAti = RAti – Gti (10.2)
[00171] Переход в состояние движения происходит при превышении евклидовой нормы вектора FA линейного ускорения над пороговым значением F.
[00172] Состояние неподвижности определяется в том случае, если значение FA не превысило заданного порогового значения F на временном отрезке длины Т. Началом отсчета временного интервала Т является время превышения порога
Конфигурируемые параметры алгоритма:
α - параметр фильтрации
F - пороговое значение ускорения
T - величина временного интервала в миллисекундах
[00173] Для детектирования ударов используется алгоритм, основанный на функции определения превышения порогов: программно задаются 4 уровня порогов, соответствующих силе удара, значения ускорений, полученные от акселерометра, сравниваются с данными порогами.
[00174] Для исключения дублирования событий ударов используется программный параметр T - время с момента превышения минимального порога, в течение которого не регистрируются новые удары. Уровень удара вычисляется исходя из максимального значения ускорений за время T с момента превышения порога.
[00175] Детектирование сигнала SOS происходит по алгоритму, основанному на анализе порогов. В настоящей версии реализации алгоритма предполагается, что пользователь в момент подачи сигнала тревоги неподвижен.
[00176] В качестве аппаратной платформы для реализации требуемого функционала в изделии был применен датчик VCNL4200.
[00177] Программная реализация модуля заключается в специализированной подпрограмме, разработанной на языке C. Реализованная подпрограмма позволяет осуществлять чтение данных из датчика, а затем интерпретировать, считанные данные в формате понятном для микроконтроллера устройства. Результатом работы модуля является вычисление дистанции до объекта (головы пользователя) и сигнализация при превышении заданного порогового значения.
[00178] Настоящий программный модуль предназначен для интерпретации и передачи для последующей обработки в микроконтроллер данных об атмосферном давлении и температуре внутри средства индивидуальной защиты.
[00179] Регистрация и передача данных о температуре и давлении позволит в дальнейшем оператору диспетчерского пульта определять наличие персонала внутри, либо снаружи помещения, выявлять нештатные режимы работы устройства-трекера, приводящие к нарастанию температуры. Данные о текущем значении давления позволят определять и регистрировать изменение относительной высоты устройства-трекера, что важно для работ, производимых на высоких объектах.
[00180] Аппаратная часть модуля реализована микросхеме LPS27 – барометрический датчик и термометр в одном корпусе. Подключение микросхемы барометра к микроконтроллеру осуществляется посредством шины данных SPI.
[00181] Программная реализация модуля представляет собой два файла драйверов барометра <lps27hhw_reg.h> и <lps27hhw_reg.c>, отвечающих за правильность обращения и передачи данных о температуре и давлении в микроконтроллере и пользовательских подпрограмм <pressure.h> и <pressure.c>, отвечающих за функции инициализации датчика и чтения данных данных от датчика по запросу от микроконтроллера устройства-трекера. Данные пользовательские подпрограммы реализуют алгоритм периодичного запроса данных от датчика давления и температуры, с последующей передачей их в микроконтроллер и переводом в «спящий режим» датчика до следующего запроса, с целью повышения энергоэффективности всего устройства в целом.
Claims (1)
- Устройство для мониторинга персонала на производстве, содержащее единый корпус, в котором располагаются литий-полимерный аккумулятор, выполненный с возможностью обеспечения контролируемого заряда; акселерометр-гироскоп и барометрический датчик давления, выполненные с возможностью контролирования падения и удара человека; управляющий микроконтроллер, выполненный с возможностью управления компонентами системы и контроля целостности записанной информации, обнаружения ошибок и исключения нерабочих блоков памяти из энергонезависимой памяти; энергонезависимая Flash–память, выполненная с возможностью передавать за один такт 4 бита информации; LoRaWAN-устройство класса A для передачи данных на сервер; модуль GSM; Bluetooth-модуль с возможностью сканирования BLE-маяков; модуль ГНСС; ИК-дальномер; модуль обратной связи, выполненный в виде пьезокерамического преобразователя.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU217729U1 true RU217729U1 (ru) | 2023-04-14 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2814959C1 (ru) * | 2022-08-13 | 2024-03-07 | Цзянсуская корпорация по ядерной энергетике | Устройство для определения расстояния до аппаратного ключа для регулятора возбуждения и способ определения расстояния |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU183600U1 (ru) * | 2018-06-20 | 2018-09-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" | Защитная каска с устройством автоматического контроля эксплуатации |
RU2683624C1 (ru) * | 2017-12-08 | 2019-03-29 | Общество с ограниченной ответственностью "СервисСофт" | Многофункциональное устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации |
RU2734099C1 (ru) * | 2019-09-02 | 2020-10-13 | Общество с ограниченной ответственностью "ТрансИнжКом" | Устройство и система для контроля объектов |
US20210319894A1 (en) * | 2020-04-08 | 2021-10-14 | CareBand Inc. | Wearable electronic device and system using low-power cellular telecommunication protocols |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2683624C1 (ru) * | 2017-12-08 | 2019-03-29 | Общество с ограниченной ответственностью "СервисСофт" | Многофункциональное устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации |
RU183600U1 (ru) * | 2018-06-20 | 2018-09-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" | Защитная каска с устройством автоматического контроля эксплуатации |
RU2734099C1 (ru) * | 2019-09-02 | 2020-10-13 | Общество с ограниченной ответственностью "ТрансИнжКом" | Устройство и система для контроля объектов |
US20210319894A1 (en) * | 2020-04-08 | 2021-10-14 | CareBand Inc. | Wearable electronic device and system using low-power cellular telecommunication protocols |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2814959C1 (ru) * | 2022-08-13 | 2024-03-07 | Цзянсуская корпорация по ядерной энергетике | Устройство для определения расстояния до аппаратного ключа для регулятора возбуждения и способ определения расстояния |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3136319B1 (en) | Method and system for asset tracking in an enterprise environment | |
KR101842565B1 (ko) | 관리되지 않는 네트워크에서의 액세스 포인트 위치 탐색 기법 | |
EP3002603B1 (en) | Location system | |
CN111788852B (zh) | 用于支持无线设备的定位的方法、网络节点和无线设备 | |
JP5820157B2 (ja) | 被災者救助支援システム、情報処理方法 | |
US7630323B2 (en) | Self-configuring wireless personal area network | |
US20050201301A1 (en) | Self-associating wireless personal area network | |
EP3391672B1 (en) | Methods and devices for finding rfid tags | |
JP2013519335A (ja) | タグに関連する情報を処理するシステム及び方法並びに携帯電話 | |
JP2008530939A (ja) | 特殊な受信時間枠を採用した無線id(rfid)タグおよびその方法 | |
US20080315999A1 (en) | Wireless communication system for tracking assets with affixed electronic smart tags and methods thereof | |
EP3092830B2 (en) | Feedback in a positioning system | |
JP2008546284A (ja) | 資産追跡とデータ遠隔監視のためのバーストスペクトル拡散無線システム及び方法 | |
US9742479B2 (en) | Method and apparatus for detecting an abnormal antenna condition | |
EP3629268B1 (en) | Inventory tracking tags, system and method for prolonging battery life | |
EP3206043A1 (en) | Indoor location system | |
CN108377256A (zh) | 基于窄带物联网的定位方法、服务器及系统 | |
JP2004297201A (ja) | 携帯電話探索システム及び探索方法 | |
RU217729U1 (ru) | Устройство для мониторинга персонала на производстве | |
Chaudhary et al. | Software-defined wireless communications and positioning device for IoT development | |
CN109922426A (zh) | 平面二维基站定位方法及装置 | |
CN215379248U (zh) | 一种基于uwb单基站的室内定位系统 | |
Dai et al. | A power-efficient BLE augmented GNSS approach to site-specific navigation | |
CN106211081A (zh) | 基于智能手机的传感网节点主动式定位方法 | |
CN112543421A (zh) | 一种定位方法、装置、设备及存储介质 |