RU2808828C1

RU2808828C1 - Wireless system for monitoring grain storage parameters using ultrasonic vibrations to transmit energy and information

Info

Publication number: RU2808828C1
Application number: RU2023116148A
Authority: RU
Inventors: Александр Витальевич Вострухин; Максим Алексеевич Мастепаненко; Елена Артуровна Вахтина; Игорь Николаевич Воротников
Filing date: 2023-06-20
Publication date: 2023-12-05

Abstract

FIELD: grain storage.

SUBSTANCE: systems for remote monitoring of grain storage parameters in a grain mound used in floor grain storage warehouses. The system for monitoring grain storage parameters contains a master device, slave devices located inside cylindrical steel perforated housings connected to each other by thread, one end of the outermost slave device has acoustic contact with the master device. The master device contains an autonomous power supply, a first microcontroller, a radio module, and a first ultrasonic transceiver unit. Each slave device contains a second microcontroller, a digital sensor system, a second ultrasonic transceiver unit, a converter of ultrasonic vibration energy into electrical energy, and an electrical energy storage device. A digital sensor system is a “system in a package”, for example BME680, which contains sensors for temperature, humidity, volatile organic compounds and atmospheric pressure; the radio module is a device for transmitting and receiving information over an ISM radio channel.

EFFECT: system allows to measure temperature, humidity, and the concentration of volatile organic compounds in the air in the intergrain space at many points of the grain mound along its entire length and/or width.

3 cl, 3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может быть использовано для дистанционного мониторинга параметров хранения зерна в зерновой насыпи в складах напольного хранения и автоматизации управления параметрами хранения зерна.The invention relates to information-measuring systems and can be used for remote monitoring of grain storage parameters in grain bulk in floor storage warehouses and automation of control of grain storage parameters.

Уровень техникиState of the art

Известно изобретение, в котором описаны способ контроля состояния хранящегося насыпью сыпучего материала и устройство для его осуществления. При этом устройство контроля состояния, хранящегося насыпью сыпучего материала, содержит штангу с размещенными на ее конце термодатчиком и блоком индикации, кроме того, оно снабжено датчиками влажности и зараженности материала насекомыми вредителями, дополнительными блоками индикации и пороговым блоком, входы которого подключены к датчикам, а выход — к соответствующим блокам индикации (см. пат. РФ №2105457, кл. A01F 25/00). An invention is known that describes a method for monitoring the condition of bulk material stored in bulk and a device for its implementation. In this case, the device for monitoring the condition of bulk material stored in bulk contains a rod with a temperature sensor and an indication unit placed at its end; in addition, it is equipped with sensors for humidity and contamination of the material by insect pests, additional indication units and a threshold unit, the inputs of which are connected to the sensors, and output - to the corresponding display units (see Patent of the Russian Federation No. 2105457, class A01F 25/00).

Недостаток известного решения — ограничены функциональные возможности, устройство не может быть использовано для измерения параметров хранения зерна по всей длине и/или ширине зерновой насыпи, так как предназначено для измерений только в ограниченном объеме насыпи. The disadvantage of the known solution is that the functionality is limited; the device cannot be used to measure grain storage parameters along the entire length and/or width of the grain mound, since it is intended for measurements only in a limited volume of the mound.

Известно устройство для контроля температуры зерна в силосах, содержащее опорную головку с разъемом для подключения измерительного прибора и термометры сопротивления, электрически связанные между собой и с упомянутым разъемом, в котором термометры сопротивления, каркасы которых выполнены металлическими, например латунными, помещены в теплоэлектроизоляционную защитную трубу и закреплены на ней, причем крепеж упомянутых термометров сопротивления выполнен из металла для обеспечения теплопередачи от зерна к ним (см. пат. РФ № 2095768, кл. G01K 13/10).A device is known for monitoring the temperature of grain in silos, containing a support head with a connector for connecting a measuring device and resistance thermometers electrically connected to each other and to the said connector, in which the resistance thermometers, the frames of which are made of metal, for example brass, are placed in a thermal and electrically insulating protective tube and fixed on it, and the fasteners of the mentioned resistance thermometers are made of metal to ensure heat transfer from the grain to them (see RF Patent No. 2095768, class G01K 13/10).

Недостаток известного решения — ограничены функциональные возможности, устройство не может быть использовано для измерения параметров хранения зерна по всей длине и/или ширине зерновой насыпи, так как предназначено для измерений только в ограниченном объеме насыпи.The disadvantage of the known solution is that the functionality is limited; the device cannot be used to measure grain storage parameters along the entire length and/or width of the grain mound, since it is intended for measurements only in a limited volume of the mound.

Известно устройство для контроля состояния хранящегося сыпучего материала, содержащее перфорированный корпус с крышкой в верхней части и с воронкообразным улавливателем в нижней части, отличающееся тем, что оно снабжено чувствительными элементами температуры и относительной влажности воздуха, вмонтированными в корпус, и элементом непрерывного счета насекомых, размещенным в зоне направляющего канала воронкообразного улавливателя, сообщенного с каналом выхода насекомых, выполненным из материала с репеллентными свойствами, при этом перфорации в корпусе выполнены наклонно вверх и с разными диаметрами, кроме того, перфорированная часть корпуса выполнена из аттрактантного материала. (см. пат. РФ №2038784, кл. А01М 5/00). A device is known for monitoring the condition of stored bulk material, containing a perforated housing with a lid in the upper part and a funnel-shaped catcher in the lower part, characterized in that it is equipped with sensitive elements of temperature and relative humidity mounted in the housing, and a continuous insect counting element placed in the area of the guide channel of the funnel-shaped catcher, communicated with the insect exit channel, made of material with repellent properties, while the perforations in the body are made obliquely upward and with different diameters, in addition, the perforated part of the body is made of attractant material. (see Patent of the Russian Federation No. 2038784, class A01M 5/00).

Недостаток известного решения — ограничены функциональные возможности, устройство предназначено для контроля состояния зерна в ограниченном пространстве и не позволяет выполнять контроль параметров состояния зерна по всей длине и/или ширине зерновой насыпи в складах напольного хранения, что ограничивает область его использования.The disadvantage of the known solution is that the functionality is limited; the device is designed to monitor the condition of grain in a limited space and does not allow monitoring the parameters of the condition of grain along the entire length and/or width of the grain embankment in floor storage warehouses, which limits the scope of its use.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является способ дистанционного питания электронного носителя информации и устройство для передачи энергии и информации посредством ультразвука между базовым устройством и носителем информации, размещенным на поверхности или внутри изделия и содержащим определенную сохраняемую информацию, при этом базовое устройство и указанный носитель информации включают в себя ультразвуковые приемопередающие блоки, в процессе поверхностного контакта между ультразвуковым приемопередающим блоком базового устройства и изделием осуществляется передача энергии и информации и базовое устройство передает ультразвук в изделие, при этом носитель информации переходит в активизированное состояние и запускает ультразвуковую передачу информацию между носителем информации и базовым устройством через контактную область (см. пат. РФ №2210814, кл. G08C 23/02, H04B 11/00).The closest in technical essence to the claimed technical solution and accepted by the authors as a prototype is a method for remotely powering an electronic storage medium and a device for transmitting energy and information via ultrasound between the base device and the storage medium located on the surface or inside the product and containing certain stored information, with In this case, the base device and the specified information carrier include ultrasonic transceiver units, in the process of surface contact between the ultrasonic transceiver unit of the base device and the product, energy and information are transferred, and the base device transmits ultrasound to the product, while the information carrier goes into an activated state and starts ultrasonic transfer of information between the storage medium and the base device through the contact area (see RF Patent No. 2210814, class G08C 23/02, H04B 11/00).

Недостаток известного решения — ограничены функциональные возможности, устройство не позволяет выполнять функции контроля состояния зерна в складах напольного хранения, что ограничивает область его использования.The disadvantage of the known solution is that the functionality is limited; the device does not allow the functions of monitoring the condition of grain in floor storage warehouses, which limits the scope of its use.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей устройства (системы), а именно, система позволяет измерять во многих точках зерновой насыпи по всей её длине и/или ширине, влажность, температуру, концентрацию летучих органических соединений воздуха межзернового пространства, а также атмосферное давление, передавать результаты измерений с использованием ультразвуковых колебаний ведущему устройству, реализующему функцию передачи данных по радиоканалу на более высокий уровень системы мониторинга. The technical result that can be achieved using the present invention boils down to expanding the functionality of the device (system), namely, the system allows you to measure humidity, temperature, concentration of volatile organic compounds at many points of the grain mound along its entire length and/or width air of the intergranular space, as well as atmospheric pressure, transmit measurement results using ultrasonic vibrations to the master device, which implements the function of transmitting data via a radio channel to a higher level of the monitoring system.

Технический результат достигается тем, что в беспроводную систему мониторинга параметров хранения зерна с использованием ультразвуковых колебаний для передачи энергии и информации, содержащую: ведущее и ведомое устройства, при этом, ведущее устройство содержит первый ультразвуковой приемопередающий блок, ведомое устройство находится внутри цилиндрического стального корпуса, содержит второй ультразвуковой приемопередающий блок, преобразователь энергии ультразвуковых колебаний в электрическую и накопитель электрической энергии, подключенный к выходу преобразователя энергии ультразвуковых колебаний в электрическую, дополнительно введены: цифровая система датчиков, первый и второй микроконтроллеры, радиомодуль, автономный источник питания, причем цилиндрический стальной корпус выполнен перфорированным и снабжен на концах резьбовым соединением, что позволяет соединять последовательно несколько таких корпусов в зонд, один конец которого имеет контакт с ведущим устройством, которое содержит первый микроконтроллер к выводам которого подключены первый ультразвуковой приемопередающий блок, радиомодуль и автономный источник питания, ведомое устройство содержит второй микроконтроллер, к выводам которого подключены второй ультразвуковой приемопередающий блок, цифровая система датчиков, управляющий вход преобразователя энергии ультразвуковых колебаний в электрическую и выход накопителя электрической энергии, цифровая система датчиков представляет собой «систему в корпусе», например BME680, которая содержит датчики температуры, влажности, летучих органических соединений и атмосферного давления, радиомодуль представляет собой устройство для передачи и приема информации по радиоканалу ISM диапазона.The technical result is achieved in that a wireless system for monitoring grain storage parameters using ultrasonic vibrations to transmit energy and information, containing: a master and a slave device, wherein the master device contains a first ultrasonic transceiver unit, the slave device is located inside a cylindrical steel case, contains a second ultrasonic transceiver unit, a converter of ultrasonic vibration energy into electrical energy and an electrical energy storage device connected to the output of the ultrasonic vibration energy converter into electrical energy, additionally introduced: a digital sensor system, the first and second microcontrollers, a radio module, an autonomous power supply, and the cylindrical steel case is made perforated and equipped with a threaded connection at the ends, which makes it possible to connect several such cases in series into a probe, one end of which has contact with the master device, which contains the first microcontroller, to the terminals of which the first ultrasonic transceiver unit, a radio module and an autonomous power supply are connected, the slave device contains a second microcontroller, to the terminals of which the second ultrasonic transceiver unit is connected, a digital sensor system, the control input of the energy converter of ultrasonic vibrations into electrical energy and the output of the electrical energy storage device , a digital sensor system is a “system in a package”, for example BME680, which contains sensors for temperature, humidity, volatile organic compounds and atmospheric pressure, the radio module is a device for transmitting and receiving information over an ISM radio channel.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

На фиг.1, фиг.2, фиг.3 представлена структурная схема беспроводной системы мониторинга параметров хранения зерна с использованием ультразвуковых колебаний для передачи энергии и информацииFigure 1, Figure 2, Figure 3 shows a block diagram of a wireless system for monitoring grain storage parameters using ultrasonic vibrations to transmit energy and information

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Беспроводная система мониторинга параметров хранения зерна с использованием ультразвуковых колебаний для передачи энергии и информации содержит (фиг.1): ведущее устройство 1, ведомые устройства 2, размещенные внутри цилиндрических стальных перфорированных корпусов соединенных друг с другом резьбой, один конец крайнего ведомого устройства 2 имеет акустический контакт с ведущим устройством 1. Ведущее устройство 1 (фиг.1) содержит (фиг.2): автономный источник питания 3, первый микроконтроллер 4, радиомодуль 5, первый ультразвуковой приемопередающий блок 6. Каждое ведомое устройство 2 (фиг. 1) содержит (фиг. 3): второй микроконтроллер 7, цифровую систему датчиков 8, второй ультразвуковой приемопередающий блок 9, преобразователь 10 энергии ультразвуковых колебаний в электрическую, накопитель 11 электрической энергии. A wireless system for monitoring grain storage parameters using ultrasonic vibrations to transmit energy and information contains (Fig. 1): a master device 1, slave devices 2, located inside cylindrical steel perforated cases connected to each other by thread, one end of the outermost slave device 2 has an acoustic contact with the master device 1. The master device 1 (Fig. 1) contains (Fig. 2): an autonomous power supply 3, the first microcontroller 4, the radio module 5, the first ultrasonic transceiver unit 6. Each slave device 2 (Fig. 1) contains ( Fig. 3): second microcontroller 7, digital sensor system 8, second ultrasonic transceiver unit 9, ultrasonic vibration energy converter 10 into electrical energy, electrical energy storage device 11.

Система дистанционного мониторинга параметров хранения зерна с использованием ультразвуковых колебаний для передачи энергии и информации работает следующим образом.The system for remote monitoring of grain storage parameters using ultrasonic vibrations to transmit energy and information works as follows.

Ведомые устройства 2 большую часть времени находятся в энергосберегающем режиме, продолжительностью которого управляет ведущее устройство 1. Для перевода ведомых устройств 2 в активный режим микроконтроллер 4 ведущего устройства 1 формирует, с использованием ультразвукового приемопередающего блока 6 импульс ультразвука заданной длительности, который распространяется по цилиндрическим стальным перфорированным корпусам. Микроконтроллер 7 каждого ведомого устройства 2 получает, с использованием приемопередающего блока 9 этот импульс ультразвука и через определенный интервал времени переводит цифровую систему 8 в активное состояние, а затем получает от неё информацию о температуре, влажности, концентрации летучих органических соединений в межзерновом воздухе и атмосферном давлении. Микроконтроллер 7 выполняет предварительную обработку информации, полученной от цифровой системы датчиков 8, и отправляет результат обработки по соединенным между собой цилиндрическим стальным перфорированным корпусам с использованием ультразвукового приемопередающего блока 9 в ведущее устройство 1, которое принимает этот результат с использованием ультразвукового приемопередающего блока 6. По истечении определенного интервала времени следующее ведомое устройство выполняет этот алгоритм. После того, как последнее ведомое устройство 2 выполнит данный алгоритм, ведущее устройство 1 инициирует режим передачи данных, с использованием радиомодуля 5, на более высокий уровень системы мониторинга (указанный уровень на фиг.1-2 не показан). После завершения передачи информации по радиоканалу ведущее устройство 1 переходит в режим передачи энергии ведомым устройствам 2 для зарядки электрической энергией накопителей 11. Для передачи энергии, с использованием ультразвуковых колебаний, ведущее устройство 1 запускает на определенной частоте ультразвуковой приемопередающий блок 6. Микроконтроллер 7 ведомого устройства 2 определяет, что данный диапазон частоты ультразвуковых колебаний предназначен для преобразования энергии этих колебаний в электрическую, переключает преобразователь 10 в режим преобразования и заряда накопителя 11. Одновременно микроконтроллер 7 измеряет по напряжению степень заряда накопителя 11. Если накопитель 11 заряжен, то микроконтроллер 7 отключает преобразователь 10 от потребления энергии ультразвуковых колебаний. По истечении времени, отведенного для заряда накопителей 11, ведущее устройство 1 переходит в режим опроса ведомых устройств 2. Slave devices 2 most of the time are in an energy-saving mode, the duration of which is controlled by the master device 1. To transfer the slave devices 2 to the active mode, the microcontroller 4 of the master device 1 generates, using an ultrasonic transceiver unit 6, an ultrasound pulse of a given duration, which propagates along cylindrical steel perforated buildings The microcontroller 7 of each slave device 2 receives, using the transceiver unit 9, this ultrasound pulse and, after a certain time interval, transfers the digital system 8 to an active state, and then receives from it information about temperature, humidity, concentration of volatile organic compounds in intergranular air and atmospheric pressure . The microcontroller 7 performs preliminary processing of the information received from the digital sensor system 8 and sends the processing result through interconnected cylindrical steel perforated cases using an ultrasonic transceiver unit 9 to the master device 1, which receives this result using an ultrasonic transceiver unit 6. After After a certain time interval, the next slave device executes this algorithm. After the last slave device 2 completes this algorithm, the master device 1 initiates a data transfer mode, using the radio module 5, to a higher level of the monitoring system (this level is not shown in Fig. 1-2). After completing the transmission of information via the radio channel, the master device 1 switches to the mode of transmitting energy to the slave devices 2 to charge the storage devices 11 with electrical energy. To transfer energy using ultrasonic vibrations, the master device 1 starts the ultrasonic transceiver unit 6 at a certain frequency. Microcontroller 7 of the slave device 2 determines that this frequency range of ultrasonic vibrations is intended to convert the energy of these vibrations into electrical energy, switches the converter 10 to the conversion mode and charges the storage device 11. At the same time, the microcontroller 7 measures the degree of charge of the storage device 11 by voltage. If the storage device 11 is charged, then the microcontroller 7 turns off the converter 10 from the energy consumption of ultrasonic vibrations. After the time allotted for charging the storage devices 11 has expired, the master device 1 switches to the mode of polling the slave devices 2.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество: расширены функциональные возможности, а именно устройство позволяет дистанционно, в автоматическом режиме, с использованием методов передачи информации и энергии на основе ультразвуковых колебаний, выполнять функцию мониторинга основных параметров, характеризующих в наибольшей степени состояние зерна при его хранении — это температуру, влажность, концентрацию летучих органических соединений в межзерновом воздухе и атмосферное давление.The proposed invention, in comparison with the prototype and other known solutions, has an advantage: the functionality has been expanded, namely, the device allows remotely, in automatic mode, using methods of transmitting information and energy based on ultrasonic vibrations, to perform the function of monitoring the main parameters that characterize the condition to the greatest extent grains during storage are temperature, humidity, concentration of volatile organic compounds in intergrain air and atmospheric pressure.

Claims

1. A wireless system for monitoring grain storage parameters using ultrasonic vibrations to transmit energy and information, containing: master and slave devices, wherein the master device contains a first ultrasonic transceiver unit, the slave device is located inside a cylindrical steel case, contains a second ultrasonic transceiver unit, a transducer energy of ultrasonic vibrations into electrical energy and an electrical energy storage device connected to the output of the energy converter of ultrasonic vibrations into electrical energy, characterized in that it additionally includes: a digital sensor system, the first and second microcontrollers, a radio module, an autonomous power supply, and the cylindrical steel case is made perforated and is equipped at the ends with a threaded connection, which makes it possible to connect several such cases in series into a probe, one end of which has contact with the master device, which contains the first microcontroller, to the terminals of which the first ultrasonic transceiver unit, a radio module and an autonomous power supply are connected, the slave device contains the second a microcontroller, the terminals of which are connected to the second ultrasonic transceiver unit, a digital sensor system, the control input of the ultrasonic vibration energy converter into electrical energy and the output of the electrical energy storage device.

2. The system according to claim 1, characterized in that the digital sensor system is a “system in a housing”, for example BME680, which contains sensors for temperature, humidity, concentration of volatile organic compounds in intergranular air and atmospheric pressure.

3. The system according to claim 1, characterized in that the radio module is a device for transmitting and receiving information via an ISM radio channel.