RU2628331C1

RU2628331C1 - System for remote reading of sensor indications

Info

Publication number: RU2628331C1
Application number: RU2016119579A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Косарев
Original assignee: Сергей Александрович Косарев
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-08-16

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: system for remote sensing of sensors consists of a network of data transmission devices, each of which consists of a series-connected sensor, a processor and a first radio module, a data receiving device consisting of a second radio module, a second processor and a computer connected in series. The data transmission devices are divided into m groups of n data transmission devices, the first radio module comprises a spread spectrum receiver and a narrow-band transmitter, the second radio module comprises a noise spreading signal transmitter and a first narrowband receiver, n-1 or more are input to the second radio module Narrow-band receivers whose inputs are connected to the input of the first narrow-band receiver, and the outputs to the second processor, the spreading factor of the transmitter with noise-like signals is selected greater than 10, and the data rate of the narrowband transmitter is less than 480 bps.

EFFECT: increasing the range of radio communication due to the possibility of a significant increase in the sensitivity of the receiving path while maintaining the total information rate of the sensors interrogation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к сетям, состоящим из беспроводных приемопередающих устройств, объединяемых посредством беспроводной связи в единую сеть, для передачи различных видов информации, получаемой от устройств считывания с датчиков, которыми могут быть: различные сенсоры, счетчики электроэнергии, газа, воды и т.д., используемых для учета расхода различных ресурсов.The invention relates to networks consisting of wireless transceivers, connected wirelessly into a single network, for transmitting various types of information received from readers from sensors, which can be: various sensors, electricity, gas, water meters, etc. used to account for the consumption of various resources.

Известно устройство для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с помощью передачи информации с индивидуальных счетчиков по каналу GSM сотовой связи - «GSM-транслятор показаний приборов учета потребляемых ресурсов», патент на полезную модель RU №153771, G08C 19/00, 07.10.2014, где PIC-контроллер, вход которого соединен с источником питания 220 В/5 В, первый вход/выход соединен с, по крайней мере, одним электронным счетным устройством, на который подаются импульсы замыкания от прибора учета потребляемых ресурсов, и соединенного выходом с ЖК-дисплеем для отображения цифровых показаний электронного счетного устройства, второй вход/выход PIC-контроллера соединен с входом/выходом РППЗУ, предназначенного для хранения базы данных, содержащей номера телефонов пользователей, допущенных к получению услуги информирования о потребляемых ресурсах, третий вход/выход PIC-контроллера соединен с входом/выходом GSM-модуля, осуществляющего передачу и прием GSM-сигналов посредством соединенной с GSM-модулем выносной GSM-антенны, служащей для излучения и приема радиочастотных GSM-сигналов, а также SIM-карты, обеспечивающей связь GSM-модуля с базовыми станциями любого оператора сотовой связи, четвертый вход/выход PIC-контроллера соединен с входом/выходом автоматического таймера, выполненного с возможностью активации отправки SMS-сообщений с информацией о потребляемых ресурсах на запрограммированные в РППЗУ номера абонентов.A device for remote reading of the readings of individual meters of energy resources by transmitting information from individual meters through the GSM cellular channel - "GSM-translator readings of meters of consumed resources", utility model patent RU No. 153771, G08C 19/00, 07.10.2014 where the PIC controller, the input of which is connected to a 220 V / 5 V power supply, the first input / output is connected to at least one electronic metering device, to which short-circuit pulses from the meter for consumed resources are supplied, and a single output with an LCD display for displaying digital readings of an electronic calculating device, the second input / output of the PIC controller is connected to the input / output of the RPPZU designed to store a database containing phone numbers of users authorized to receive information services on consumed resources, the third input I / O of the PIC controller is connected to the input / output of the GSM module transmitting and receiving GSM signals via an external GSM antenna connected to the GSM module, which serves to emit and receive radio frequencies GSM signals, as well as a SIM card that provides communication between the GSM module and base stations of any mobile operator, the fourth input / output of the PIC controller is connected to the input / output of an automatic timer, configured to activate the sending of SMS messages with information about consumed resources to the subscriber numbers programmed in RPPZU.

Недостатками этого устройства является необходимость наличия сети GSM в месте установки счетчиков, высокая стоимость абонентского оборудования и необходимость абонентской платы за использование сети GSM.The disadvantages of this device are the need for a GSM network at the installation site of the meters, the high cost of subscriber equipment and the need for a subscription fee for using the GSM network.

Известно устройство передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с использованием радиоканала, описанное в «Способ связи для дистанционного считывания показаний счетчиков», патент на изобретение RU №2455763, Н04В 7/00, G01D 4/00, 08.02.2008, где используется сеть модулей, соединенных со счетчиками, с которых производится дистанционное считывание показаний, промежуточные концентраторы, радиосвязь между которыми и модулями осуществляется в частотном диапазоне UHF, в то время, как радиосвязь между промежуточными концентраторами и главным концентратором осуществляется в частотном диапазоне VHF.A device for transmitting data for remote reading of individual energy metering devices using a radio channel is described in "Communication method for remote reading of meter readings", patent for invention RU No. 2455763, Н04В 7/00, G01D 4/00, 02/08/2008, where a network of modules is used, connected to meters from which remote reading is performed, intermediate concentrators, the radio communication between which and the modules is carried out in the UHF frequency range, while the radio communication between intermediate hubs and the main hub is in the frequency range of VHF.

В этом устройстве большая дальность радиосвязи достигается за счет ретранслирования радиосигналов с большой мощностью и с переносом их в другой, более «дальнобойный» частотный диапазон VHF. Необходимость использования ретрансляторов существенно удорожает реализацию системы. Кроме того, частоты в диапазоне VHF с использованием повышенной мощности, не являются безлицензионными, и их использование требует приобретения лицензии.In this device, a large range of radio communication is achieved by relaying radio signals with high power and transferring them to another, more “long-range” VHF frequency range. The need to use repeaters significantly increases the cost of implementing the system. In addition, frequencies in the VHF range using increased power are not unlicensed, and their use requires a license.

Известна система передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с использованием радиоканала - «Система связи для сбора данных и способ для приема данных в системе связи», патент на изобретение RU №2484586, Н04В 7/24, 10.02.2012, содержащая распределенную сеть для доставки данных на устройство - инициатор опроса, при этом распределенная сеть содержит множество устройств для считывания значения параметра по меньшей мере одного датчика, процессор управления, назначаемый инициатором опроса из числа устройств для считывания, предназначен для опроса множестваA known data transmission system for remote reading of individual energy metering devices using the radio channel - “Communication system for collecting data and a method for receiving data in a communication system”, patent for invention RU No. 2484586, НВВ 7/24, 02/10/2012, containing distributed the network for delivering data to the device is the initiator of the survey, while the distributed network contains many devices for reading the parameter value of at least one sensor, a control processor assigned by the initiator of the survey from la devices for reading, for a plurality of survey

устройств для считывания, процессор управления выполнен с возможностью передачи в распределенную сеть команды опроса на время, которое перекрывает период пробуждения устройств для считывания, имеющих произвольное время пробуждения; приема данных от датчиков, их выбора по приоритету и посылке выбранному устройству для считывания персонального подтверждения, при наличии коллизии - посылки отрицательного подтверждения; устройства для считывания предназначены для приема команды опроса, передачи данных, их прекращения в случае получения персонального подтверждения, и прекращения передачи данных в случае получения отрицательного подтверждения, и возобновления ее через псевдослучайную задержку.reading devices, the control processor is configured to transmit polling commands to the distributed network for a time that spans the waking period of reading devices having an arbitrary waking time; receiving data from sensors, their selection by priority and sending to the selected device for reading a personal confirmation, if there is a conflict - sending a negative confirmation; readers are designed to receive a polling command, transmit data, terminate it in the event of receiving a personal confirmation, and stop transmitting data in the event of a negative confirmation, and resume it through a pseudo-random delay.

В этой системе большая дальность радиосвязи достигается за счет ретранслирования радиосигналов с помощью соседних объектовых устройств. Недостатками являются - невозможность передачи данных с удаленных объектов, при невозможности установки промежуточных ретрансляторов, а также неэффективное использования частотно-временного ресурса за счет многоступенчатой ретрансляции и возможности взаимной коллизии принимаемых сигналов.In this system, a large range of radio communication is achieved by relaying radio signals using neighboring object devices. The disadvantages are the impossibility of transmitting data from remote objects, the impossibility of installing intermediate relays, as well as the inefficient use of the time-frequency resource due to multi-stage relay and the possibility of mutual collision of received signals.

Из известных устройств передачи данных для дистанционного считывания показаний индивидуальных приборов учета энергоресурсов с использованием радиоканала наиболее близким к заявляемому, является «Автоматизированная система сбора данных о потреблении энергоресурсов за расчетный период», патент на полезную модель RU №77476, G08C 19/00, G08C 17/02, 07.04.2008, содержащая первичные измерители - счетчики с импульсным выходным устройством, устройства передачи данных, каждое из которых установлено вблизи от соответствующего счетчика и доступно потребителю энергии, удаленные устройства приема данных и накопления данных, используемые оператором системы, отличающееся тем, что устройство передачи данных содержит счетчик импульсов, узел преобразования полученных данных в цифровой интерфейс, энергонезависимую память и радиомодуль для передачи данных в режиме «запрос-ответ», устройство приема данных содержит радиомодуль для выдачи запроса и для приема данных и узел преобразования радиосигнала в цифровой интерфейс, а устройством накопления данных для последующей их обработки является компьютер.Of the known data transmission devices for remote reading of the readings of individual energy metering devices using a radio channel, the closest to the claimed one is the “Automated system for collecting data on energy consumption for the billing period”, utility patent RU No. 77476, G08C 19/00, G08C 17 / 02, 07.04.2008, containing primary meters - meters with a pulse output device, data transmission devices, each of which is installed close to the corresponding meter and is accessible to the consumer energy, remote data reception and data storage devices used by the system operator, characterized in that the data transmission device contains a pulse counter, a node for converting the received data to a digital interface, non-volatile memory and a radio module for transmitting data in the "request-response" mode, a receiving device the data contains a radio module for issuing a request and for receiving data and a node for converting the radio signal into a digital interface, and the data storage device for subsequent processing is a computer ter.

Недостатком этого устройства является небольшая дальность передачи данных, связанная с тем, что опрос устройств производится последовательно, по одному - по принципу запрос-ответ, что при большом количестве объектов требует использования радиоканала с большой скоростью передачи информации, следствием чего является невозможность получения высокой чувствительности приемника, а следовательно и большой дальности передачи данных.The disadvantage of this device is the small range of data transmission, due to the fact that the interrogation of devices is carried out sequentially, one at a time according to the request-response principle, which requires a radio channel with a high information transfer rate for a large number of objects, which results in the inability to obtain high receiver sensitivity , and therefore long-range data transmission.

Известно, что дальность радиосвязи в свободном пространстве определяется мощностью передатчика, чувствительностью приемника и коэффициентом усиления антенн. В используемых для передачи показаний счетчиков диапазонах частот 433 МГц и 868 МГц мощность передатчика ограничена 10…25 мВт, размеры антенн (усиление) ограничены конструктивным выполнением устройств. И единственным путем увеличения дальности является повышение чувствительности приемника, которая определяется, главным образом, его полосой пропускания, которая не должна быть меньше ширины спектра передатчика.It is known that the range of radio communication in free space is determined by the power of the transmitter, the sensitivity of the receiver and the gain of the antennas. In the frequency ranges 433 MHz and 868 MHz used to transmit meter readings, the transmitter power is limited to 10 ... 25 mW, antenna sizes (amplification) are limited by the design of the devices. And the only way to increase the range is to increase the sensitivity of the receiver, which is determined mainly by its bandwidth, which should not be less than the width of the spectrum of the transmitter.

Ширина спектра передатчика определяется скоростью передачи информации - чем больше скорость передачи информации, тем шире спектр передатчика, для приема которого требуется более широкополосный приемник.The width of the spectrum of the transmitter is determined by the speed of information transfer - the higher the speed of information transmission, the wider the spectrum of the transmitter, which requires a wider receiver to receive.

Чувствительность приемника определяется минимальным уровнем сигнала S, различимого на уровне шумов.The sensitivity of the receiver is determined by the minimum signal level S, distinguishable at the noise level.

Из радиотехники известно (И.С. Гоноровский "Радиотехнические цепи и сигналы", Учебник для вузов, Москва, "Радио и связь", 1986 г.), что величину S можно подсчитать по формуле, обобщенный вид которой может быть представлен следующим образом:From radio engineering it is known (IS Gonorovsky "Radio Engineering Circuits and Signals", Textbook for Universities, Moscow, "Radio and Communications", 1986) that the value of S can be calculated by the formula, a generalized form of which can be represented as follows:

S=N⋅(F-1)kT₀⋅Δf,S = N⋅ (F-1) kT ₀ ⋅Δf,

где N - постоянный коэффициент - отношение сигнал/шум на входе приемника, которое необходимо обеспечить при приеме сигнала (для кодового сигнала эта величина должна быть в пределах от 5 до 10 дБ, для голосовой связи эта величина установлена равной 12 дБ);where N is a constant coefficient - the signal-to-noise ratio at the input of the receiver, which must be ensured when receiving a signal (for a code signal, this value should be in the range from 5 to 10 dB, for voice communication this value is set to 12 dB);

F - коэффициент шума приемника;F is the noise figure of the receiver;

k - постоянная Больцмана - 1,380 6504(24)⋅10^-23 Дж/К;k is the Boltzmann constant - 1,380,604 (24) ⋅10 ^-23 J / K;

Т₀ - температура окружающей среды (в градусах Кельвина);T ₀ - ambient temperature (in degrees Kelvin);

Δf - полоса пропускания приемника.Δf is the receiver bandwidth.

В этой формуле все составляющие постоянны, либо (как температура) не зависят от пользователя, кроме полосы пропускания Δf.In this formula, all components are constant, or (as a temperature) are independent of the user, except for the passband Δf.

Таким образом, реальным путем повышения чувствительности приемника является уменьшение полосы пропускания и, как следствие этого - значительное увеличение дальности приема данных. На практике используется скорость передачи данных до 4800 бит/сек.Thus, the real way to increase the sensitivity of the receiver is to reduce the bandwidth and, as a result, a significant increase in the range of data reception. In practice, a data transfer rate of up to 4800 bps is used.

При стандартных методах модуляции (AM, ЧМ, ФМ) и, с учетом нестабильности опорных генераторов, полоса пропускания приемника обычно при этом выбирается равной 15 кГц, что и является реальным ограничением для дальности радиосвязи. Чувствительность приемника при этом, как правило, не лучше -120 dbm.With standard modulation methods (AM, FM, FM) and, taking into account the instability of the reference oscillators, the receiver bandwidth is usually chosen to be equal to 15 kHz, which is a real limitation on the radio range. The sensitivity of the receiver in this case, as a rule, is not better than -120 dbm.

В этом случае, в безлицензионных диапазонах 433 МГц и 868 МГц и при мощности передатчика 10 мВт, дальность радиосвязи в условиях города не превышает 300…500 м, что, в большинстве случаев мало, и требуется использование ретрансляторов для охвата большой территории.In this case, in the unlicensed bands of 433 MHz and 868 MHz and with a transmitter power of 10 mW, the radio range in a city does not exceed 300 ... 500 m, which, in most cases, is small, and the use of repeaters is required to cover a large territory.

Настоящее изобретение направлено на увеличение дальности радиосвязи и, соответственно, зоны покрытия дистанционного считывания показаний датчиков, что позволяет отказаться от использования ретрансляторов.The present invention is aimed at increasing the range of radio communications and, accordingly, the coverage area of the remote reading of sensor readings, which eliminates the use of repeaters.

Технический эффект при этом достигается за счет возможности значительного повышения чувствительности приемного тракта, при сохранении суммарной информационной скорости опроса датчиков в системе, что и позволяет значительно увеличить дальность радиосвязи и зону покрытия.The technical effect is achieved due to the possibility of a significant increase in the sensitivity of the receiving path, while maintaining the total information rate of the interrogation of sensors in the system, which can significantly increase the radio range and coverage area.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем сеть устройств передачи данных, каждое из которых состоит из последовательно включенных датчика, процессора и первого радиомодуля, устройства приема данных, состоящего из последовательно включенного второго радиомодуля, второго процессора и компьютера, устройства передачи данных разбиты на m групп по n устройств передачи данных, первый радиомодуль содержит приемник шумоподобных сигналов с расширением спектра и узкополосный передатчик, второй радиомодуль содержит передатчик шумоподобных сигналов с расширением спектра и первый узкополосный приемник, во второй радиомодуль введены n-1, или больше, узкополосных приемников, входы которых соединены с входом первого узкополосного приемника, а выходы со вторым процессором, причем коэффициент расширения спектра передатчика с шумоподобным сигналом выбирается больше 10, а скорость передачи данных узкополосного передатчика выбирается меньше 480 бит/сек.This goal is achieved in that in a known device containing a network of data transmission devices, each of which consists of a series-connected sensor, processor and a first radio module, a data reception device consisting of a series-connected second radio module, a second processor and a computer, the data transmission device is broken into m groups of n data transmission devices, the first radio module contains a receiver of noise-like signals with spreading spectrum and a narrow-band transmitter, the second radio module contains it is a transmitter of noise-like signals with spreading the spectrum and the first narrow-band receiver, n-1 or more narrow-band receivers are introduced into the second radio module, the inputs of which are connected to the input of the first narrow-band receiver, and the outputs are with the second processor, and the spectral expansion coefficient of the transmitter with a noise-like signal is selected more than 10, and the data rate of the narrowband transmitter is selected less than 480 bits / sec.

Функционирование предлагаемой системы для дистанционного считывания показаний датчиков поясняется структурной схемой, приведенной на Рис. 1.The functioning of the proposed system for remote reading of sensor readings is illustrated by the structural diagram shown in Fig. one.

Система содержит сеть устройств передачи данных 1, состоящую из k устройств передачи данных 2, каждое из которых состоит из одного, или нескольких датчиков 3, установленных на счетчиках электроэнергии, воды, газа и т.д., процессора 4 и радиомодуля 5, состоящего из узкополосного передатчика 6, приемника ШПС 7 и антенны А1, устройство приема данных 8, состоящее из радиомодуля 9, состоящего из антенны А2, передатчика ШПС 10 и n узкополосных приемников 11, процессора 12 и компьютера 13.The system comprises a network of data transmission devices 1, consisting of k data transmission devices 2, each of which consists of one or several sensors 3 installed on the counters of electricity, water, gas, etc., a processor 4 and a radio module 5, consisting of narrow-band transmitter 6, receiver BPS 7 and antenna A1, a device for receiving data 8, consisting of a radio module 9, consisting of antenna A2, a transmitter BSC 10 and n narrow-band receivers 11, processor 12 and computer 13.

Питание элементов устройства передачи данных 2 может осуществляться от встроенных в него батареи, аккумулятора, или от сети 220 В. Питание элементов устройства приема данных 8 может осуществляться от сети 220 В.The power of the elements of the data transmission device 2 can be carried out from the built-in battery, accumulator, or from a 220 V network. The power of the elements of the data reception device 8 can be carried out from a 220 V.

Работает заявляемая система дистанционного считывания показаний датчиков следующим образом. На компьютер 13 устанавливается специальное программное обеспечение, в соответствии с алгоритмом работы которого, компьютер 13 последовательно выдает на процессор 12 команды на адресный опрос групп объектовых устройств передачи данных 2, образующих сеть устройств передачи данных 1. Сеть устройств передачи данных 1 состоит из k устройств передачи данных 2, которые разбиты на m групп по n устройств. Команды на опрос групп выдаются последовательно, начиная с группы №1 и так до группы № m, затем цикл опроса периодически повторяется. Процессор 12 в соответствии с этими командами формирует запросное сообщение, по которому радиомодуль 9 через передатчик ШПС 10 и антенну А2 передает в радиоэфир адресную команду на запрос соответствующей группы из n устройств передачи данных 2. Все приемники ШПС 7 сети устройств передачи данных 1 принимают эту команду, процессор 4 производит ее обработку, и те устройства передачи данных 2 у которых принятый адрес группы совпал с присвоенным им адресом группы, все одновременно, через процессор 4 осуществляют опрос подключенных к ним датчиков 3, после чего процессор 4 формирует ответное сообщение, которое содержит номер устройства в данной группе, данные со всех подключенных датчиков 3 и необходимую служебную информацию. Через узкополосные передатчики 6 и антенну А1, эти сообщения передаются одновременно всеми устройствами передачи данных 2 запрошенной группы, причем каждое передается на своей частоте, в соответствии с номером внутри группы, в отведенной полосе радиочастот.The inventive system for remote reading of sensor readings as follows. Special software is installed on computer 13, in accordance with the operation algorithm of which, computer 13 sequentially issues instructions to the processor 12 to address a survey of groups of object data transmission devices 2 forming a network of data transmission devices 1. A network of data transmission devices 1 consists of k transmission devices data 2, which are divided into m groups of n devices. Teams for polling groups are issued sequentially, starting from group No. 1 and so on to group No. m, then the polling cycle is periodically repeated. The processor 12 in accordance with these commands generates a request message, according to which the radio module 9 transmits an address command to the radio broadcasting via the SPS 10 transmitter and antenna A2 to request a corresponding group of n data transmission devices 2. All the SPS 7 receivers of the network of data transmission devices 1 receive this command , processor 4 processes it, and those data transmission devices 2 for which the received group address matches the group address assigned to them, all at the same time, through processor 4, polls the sensors 3 connected to them, It follows that the processor 4 generates a response message that contains the unit number in the group, the data from all connected sensors 3 and the necessary service information. Through narrow-band transmitters 6 and antenna A1, these messages are transmitted simultaneously by all data transmission devices 2 of the requested group, and each is transmitted at its own frequency, in accordance with the number inside the group, in the allotted radio frequency band.

Принятый антенной А2 сигнал поступает на устройство приема данных 8, на n узкополосных приемников 11, сигналы с выхода которых поступают на процессор 12. При этом каждый узкополосный приемник 11 принимает сигнал только от одного устройства передачи данных 2, в соответствии с присвоенным ему номером в группе - каждому номеру в группе соответствует конкретная рабочая радиочастота. С выхода процессора 12 предварительно обработанные им принятые данные от группы из n устройств передачи данных 2 поступают в компьютер 13, для последующего их использования и анализа.The signal received by antenna A2 is fed to a data receiving device 8, to n narrow-band receivers 11, the output signals of which are sent to a processor 12. Moreover, each narrow-band receiver 11 receives a signal from only one data transmission device 2, in accordance with the assigned group number - each number in the group corresponds to a specific working radio frequency. From the output of the processor 12, the received data previously processed by it from a group of n data transmission devices 2 are sent to the computer 13, for their subsequent use and analysis.

После окончания времени, отведенного на прием сообщений от запрошенной группы устройств передачи данных 2, компьютер 13 выдает команду на запрос следующей по порядку группы устройств передачи данных, и так до группы m, после чего цикл опроса повторяется.After the time allotted for receiving messages from the requested group of data transmission devices 2, computer 13 issues a command to request the next in order group of data transmission devices, and so on to group m, after which the polling cycle is repeated.

Принятые данные накапливаются в компьютере 13 и используются в соответствии с установленным на него программным обеспечением.The received data is accumulated in the computer 13 and used in accordance with the software installed on it.

Увеличение дальности радиосвязи, а, следовательно, и зоны сбора данных дистанционного считывания показаний датчиков достигается тем, что для передачи запросов групп объектов в направлении от устройства приема данных 8 к устройствам передачи данных 2 используется радиоканал с расширением спектра - с использованием шумоподобных сигналов (ШПС), что позволяет значительно увеличить чувствительность приемников ШПС 7 (Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М., «Радио и связь», 1985. - 384 с.)An increase in the range of radio communication, and, consequently, of the data collection area of remote reading of sensor readings is achieved by the fact that for transmitting requests from groups of objects in the direction from the data receiving device 8 to the data transmitting devices 2, a radio channel with spreading spectrum is used - using noise-like signals (SHPS) that allows you to significantly increase the sensitivity of the ShPS 7 receivers (Varakin LE Communication systems with noise-like signals. M., "Radio and communication", 1985. - 384 S.)

При этом расширение спектра может быть достигнуто за счет использования метода прямой последовательности, или метода линейной частотной модуляции (http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/210742). Оба метода хорошо изучены и широко используются на практике и их реализация в виде отдельных микросхем доступна для использования. Так, известна микросхема SX1276 фирмы Semtech, использование которой позволяет свести приемник ШПС 7 всего к одной микросхеме, что значительно упрощает и удешевляет устройство передачи данных 2. При этом чувствительность может достигать - 148 dbm, что позволяет почти в 10 раз увеличить дальность радиосвязи и в 100 раз увеличить площадь зоны покрытия. Недостатком этого метода является резкое снижение скорости передачи информации до 50 бит/сек в канале радиосвязи, однако это не является препятствием, т.к. в направлении от устройства приема данных 8 к устройствам передачи данных 2 передается очень небольшой объем информации - только номер запрашиваемой группы.In this case, the expansion of the spectrum can be achieved by using the direct sequence method, or the linear frequency modulation method (http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/210742). Both methods are well studied and widely used in practice and their implementation in the form of separate microcircuits is available for use. So, the Semtech chip SX1276 is known, the use of which allows reducing the ShPS 7 receiver to just one chip, which greatly simplifies and reduces the cost of the data transfer device 2. At the same time, the sensitivity can reach - 148 dbm, which allows increasing the radio communication range by almost 10 times 100 times increase the area of the coverage area. The disadvantage of this method is a sharp decrease in the information transfer rate to 50 bit / s in the radio channel, but this is not an obstacle, because in the direction from the data receiving device 8 to the data transmission devices 2 a very small amount of information is transmitted - only the number of the requested group.

Для увеличения дальности радиосвязи в направлении от устройств передачи данных 2 к устройству приема данных 8, используется узкополосный канал радиосвязи. Как было показано выше, сужение полосы радиоканала является эффективным средством увеличения дальности радиосвязи. Так, для увеличения дальности радиосвязи в 10 раз, полоса радиоканала должна быть уменьшена не менее чем в 100 раз, а чувствительность при этом увеличится до - 140 dbm. Так, при стандартной полосе пропускания приемника радиоканала 15 кГц, она должна быть уменьшена до 150 Гц. Скорость передачи информации при этом будет около 50 бит/сек. Однако, учитывая, что на запрос центрального устройства приема-передачи 2 одновременно отвечают n объектовых приемо-передатчиков из одной группы, то суммарно эта скорость будет в n раз больше. Реально n может достигать 100 и более, а суммарная скорость передачи данных - 5000 бит/сек и более.To increase the range of the radio communication in the direction from the data transmission devices 2 to the data receiving device 8, a narrow-band radio communication channel is used. As shown above, narrowing the band of a radio channel is an effective means of increasing the range of radio communications. So, to increase the range of radio communications by 10 times, the band of the radio channel should be reduced by at least 100 times, and the sensitivity will increase to - 140 dbm. So, with a standard bandwidth of the receiver of the radio channel 15 kHz, it should be reduced to 150 Hz. The data transfer rate will be about 50 bits / sec. However, taking into account that n object transceivers from the same group respond to the request of the central transmitting and receiving device 2, this total speed will be n times higher. Actually, n can reach 100 or more, and the total data transfer rate is 5000 bits / sec or more.

При использовании узкополосного канала радиосвязи возможно использование очень простых и дешевых узкополосных передатчиков. Так, при использовании сверхузкополосной ЧМ-модуляции с девиацией частоты ±50 Гц, узкополосный передатчик 6 будет состоять из кварцевого задающего генератора с модулирующим варикапом и усилителя мощности на транзисторах. При использовании микросхемы SX1276, она же может быть использована и в качестве узкополосного передатчика 6, что позволяет сделать узкополосный передатчик 6 и приемник ШПС 7 вместе на одной микросхеме. В состав микросхемы SX1276 также входит программируемый синтезатор частот, что позволяет для каждого узкополосного передатчика 6 внутри одной группы запрограммировать индивидуальную рабочую частоту. При этом частоты программируются с заданным шагом, например 300 Гц, или больше.When using a narrow-band radio channel, it is possible to use very simple and cheap narrow-band transmitters. So, when using ultra-narrowband FM modulation with a frequency deviation of ± 50 Hz, narrow-band transmitter 6 will consist of a quartz master oscillator with a modulating varicap and a power amplifier with transistors. When using the SX1276 microcircuit, it can also be used as a narrow-band transmitter 6, which makes it possible to make a narrow-band transmitter 6 and an APS 7 receiver together on the same chip. The SX1276 chip also includes a programmable frequency synthesizer, which allows you to program an individual operating frequency for each narrowband transmitter 6 within the same group. In this case, the frequencies are programmed with a given step, for example 300 Hz, or more.

N узкополосных приемников 11 могут быть выполнены в виде одного устройства на основе цифровых принципов обработки радиосигнала. При этом основные элементы цифровой части приемника сосредоточены в модуле цифрового приемника. Этот модуль производит канальную фильтрацию и демодуляцию сигнала. Модуль может обрабатывать одновременно много каналов приема. Основные компоненты модуля - высокочастотный АЦП, цифровой квадратурный понижающий преобразователь DDC и сигнальный процессор. На этом принципе могут быть построены многоканальные радиоприемники с одинаковыми по параметрам каналами и с количеством каналов от единиц до сотен и тысяч. Могут быть использованы готовые платы многоканальных цифровых приемников, например выпускаемые серийно фирмой ЗАО «Инструментальные системы» (http://www.insys.ru/products/ddc).N narrowband receivers 11 can be made in the form of a single device based on digital principles of radio signal processing. In this case, the main elements of the digital part of the receiver are concentrated in the digital receiver module. This module performs channel filtering and signal demodulation. A module can process many reception channels simultaneously. The main components of the module are a high-frequency ADC, a digital quadrature step-down converter DDC and a signal processor. Based on this principle, multichannel radios can be built with identical channels and with the number of channels from units to hundreds and thousands. Ready-made boards for multichannel digital receivers, for example, commercially available by Instrumental Systems CJSC (http://www.insys.ru/products/ddc), can be used.

Минимальное количество узкополосных приемников 11 в радиомодуле 9 должно быть равно количеству используемых рабочих радиочастот, т.е. равно количеству устройств передачи данных 2 в одной группе, т.е. n. Однако, при использовании узкополосных каналов, возникают проблемы связанные со стабильностью частоты опорных генераторов в узкополосных передатчиках 6 и возможны случаи ухода частоты передатчиков за пределы выделенного приемного канала, что приведет к взаимным помехам в соседних каналах и к возможности потери сообщения. Для устранения этого увеличивают шаг сетки частот узкополосных передатчиков 6, а между этими частотами располагают дополнительные каналы приема - все с частичным взаимным перекрытием. В этом случае, при уходе частоты узкополосного передатчика 6, его сигнал попадает в соседний по частоте узкополосный приемник 11 и потери сообщения не происходит. Для реализации этого, количество узкополосных приемников 11 должно быть увеличено в несколько раз - это легко сделать, при использовании цифровых методов приема, например основанных на преобразовании Фурье.The minimum number of narrow-band receivers 11 in the radio module 9 should be equal to the number of working radio frequencies, i.e. equal to the number of data transmission devices 2 in one group, i.e. n However, when using narrow-band channels, there are problems associated with the stability of the frequency of the reference oscillators in narrow-band transmitters 6 and there may be cases when the frequency of the transmitters leaves the allocated receiving channel, which will lead to mutual interference in adjacent channels and to the possibility of message loss. To eliminate this, the grid spacing of the narrowband transmitters 6 is increased, and additional receive channels are located between these frequencies - all with partial mutual overlap. In this case, when the frequency of narrow-band transmitter 6 departs, its signal enters the neighboring narrow-band receiver 11 in frequency and message loss does not occur. To implement this, the number of narrow-band receivers 11 should be increased several times - this is easy to do using digital reception methods, for example, based on the Fourier transform.

Можно оценить граничные значения для коэффициента расширения спектра для передатчика ШПС 10 и скорости передачи для узкополосных передатчиков 6, при которых предлагаемое устройство становится эффективнее системы с использованием ретранслятора. Повышение чувствительности приемника на 10 db увеличивает реальную дальность связи в 2 раза, что эквивалентно использованию ретранслятора. В этом случае, для повышения чувствительности приемника ШПС 7 коэффициент расширения спектра должен быть больше 10, а скорость передачи информации в узкополосном передатчике 6 должна быть снижена также в 10 раз с 4800 бит/сек до 480 бит/сек.It is possible to estimate the boundary values for the spreading coefficient for the transmitter ШПС 10 and the transmission rate for narrow-band transmitters 6, at which the proposed device becomes more efficient than the system using the repeater. Increasing the receiver sensitivity by 10 db increases the real communication range by 2 times, which is equivalent to using a repeater. In this case, in order to increase the sensitivity of the ШПС 7 receiver, the spectrum expansion coefficient should be greater than 10, and the information transfer rate in the narrow-band transmitter 6 should also be reduced 10 times from 4800 bps to 480 bps.

При использовании коэффициентов расширения спектра передатчика ШПС 10 более 100 и при снижении скорости передачи узкополосного передатчика 6 до 50 бит/сек и менее, можно повысить чувствительность приемника ШПС 7 и узкополосного приемника 11 на 20…25 db, что позволит увеличить дальность радиосвязи до 10 раз и более.Using the expansion coefficients of the broadband transmitter 10 more than 100 and reducing the transmission speed of the narrowband transmitter 6 to 50 bps or less, you can increase the sensitivity of the broadband receiver 7 and narrowband receiver 11 by 20 ... 25 db, which will increase the radio range up to 10 times and more.

Таким образом, предлагаемый способ передачи данных, для дистанционного считывания показаний датчиков, позволяет существенно увеличить дальность считывания данных и зону покрытия. Это позволяет создавать системы с дальностью до 5 км и более, при использовании передатчиков с мощностью 10…25 мВт в безлицензионных диапазонах частот 433 МГц и 868 МГц и без использования ретрансляторов.Thus, the proposed method of data transmission for remote reading of sensor readings, can significantly increase the range of data reading and coverage area. This allows you to create systems with a range of up to 5 km or more, using transmitters with a power of 10 ... 25 mW in the unlicensed frequency ranges of 433 MHz and 868 MHz and without the use of repeaters.

Claims

A system for remotely reading sensor readings, comprising a network of data transmitting devices, each of which consists of a series-connected sensor, a processor and a first radio module, a data receiving device consisting of a series-connected second radio module, a second processor and a computer, characterized in that the data transmission device broken into m groups of n data transmission devices, the first radio module contains a receiver of noise-like signals with spreading spectrum and a narrow-band transmitter, the second the diomodule contains a noise-spreading signal transmitter with a spreading spectrum and a first narrow-band receiver, n-1 or more narrow-band receivers are introduced into the second radio module, the inputs of which are connected to the input of the first narrow-band receiver, and the outputs are with a second processor, and the spectral expansion coefficient of the transmitter with a noise-like signal is selected more 10, and the data rate of the narrowband transmitter is selected to be less than 480 bps.