устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации

Формула изобретения

1. Устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации, содержащее корпус с возможностью крепления на горизонтальную и вертикальную поверхность, печатную плату, на которой расположены блок питания с супервизором питания, микроконтроллер с оперативной и постоянной памятью большого размера, часы реального времени со встроенной энергонезависимой памятью и литиевой батареей резервного питания, преобразователь интерфейса RS-232, преобразователь сигналов интерфейса RS-485 с блоком гальванической развязки, блок однопроводного интерфейса 1Wire, блок ввода дискретных сигналов телеизмерения, блоки двух интерфейсов Ethernet, блок интерфейса USB, сменный модуль интерфейсов PLC, ZigBee, WiFi, отличающееся тем, что дополнительно включает блок управления питанием датчиков, подключаемых к интерфейсу 1Wire, блок высокоскоростного универсального модема четвертого поколения LTE/UMTS/GSM, блок формирования уникального 64-битного серийного номера устройства и блок защиты от несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микроконтроллер и часы реального времени могут быть выполнены в виде одной микросхемы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования уникального 64-битного серийного номера устройства может быть выполнен в виде одной микросхемы.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок защиты от несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства может быть выполнен в виде микровыключателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно к устройствам сбора, обработки и передачи данных, и может использоваться в составе автоматизированных информационно-измерительных и управляющих систем (АИИУС) в различных отраслях промышленности.

Из существующего уровня техники известно устройство сбора, обработки и передачи данных, содержащее вторичный преобразователь напряжения питания, микроконтроллер с часами реального времени, осуществляющий сбор измерительной информации при помощи модуля ввода дискретных сигналов, обработку и передачу информации через преобразователи сигналов интерфейсов RS-232, энергонезависимую память, модуль индикации, супервизор питания и литиевую батарею (патент RU 59861 U1, 05.06.2006, опубликовано 27.12.2006, бюл. № 36).

Недостатком известного устройства является отсутствие в его составе однопроводного интерфейса 1Wire для подключения датчиков измерения параметров окружающей среды, сетевого интерфейса Ethernet и интерфейса USB, а также интерфейсов связи по силовым линиям питания PLC, радиоканалам ZigBee и WiFi, что существенно снижает функциональные возможности устройства и ограничивает область его применения, например, в системах типа «умный дом», а отсутствие мер защиты от умышленной фальсификации измеренных значений и от несанкционированного вскрытия или преднамеренного повреждения корпуса прибора снижает уровень достоверности полученных данных.

Указанные недостатки частично устранены в известном одноплатном устройстве, содержащем микроконтроллер, осуществляющий сбор, обработку и передачу измерительной информации, модуль часов реального времени, сообщающий микроконтроллеру точное астрономическое время, энергонезависимую память большой емкости для хранения конфигурации устройства и собранной микроконтроллером информации, отличающемся тем, что оно снабжено модулем беспроводного интерфейса GPRS, сменным модулем интерфейсов PLC, Zigbee (патент RU 99203 U1, 30.04.2010, опубликовано 10.11.2010, бюл. № 31).

Недостатком известного устройства является отсутствие в его составе интерфейса Ethernet, не позволяющее включать его в качестве абонента в состав локальных сетей с протоколом TCP/IP, отсутствие интерфейса USB не позволяет подключать к контроллеру модули Flash-памяти для начальной загрузки программ, отсутствие в его составе однопроводного интерфейса 1Wire для подключения датчиков измерения параметров окружающей среды ограничивает область его применения в составе систем «умный дом», а отсутствие мер защиты от умышленной фальсификации измеренных значений и от несанкционированного вскрытия или преднамеренного повреждения корпуса прибора снижает достоверность полученных данных.

Наиболее близким к заявленному устройству является контроллер, выполненный в виде корпуса, в котором установлена печатная плата с размещенным на ней микроконтроллером, осуществляющим прием информации с цифровых входов и порта RS-232 и передачу принятой информации по интерфейсу Ethernet, а также энергонезависимая память, причем корпус снабжен средствами крепления к горизонтальной или вертикальной опорной поверхности и снабжен гнездом сетевого кабеля для подключения к 10/100Base-TX коммутатору (патент RU 2348966 C1, 21.02.2008, опубликовано 10.03.2009, бюл. № 7) (прототип).

Наличие в известном контроллере интерфейса Ethernet частично устраняет отмеченные недостатки, но отсутствие высокоскоростного универсального радиоканала LTE/UMTS/GSM и интерфейса 1Wire для подключения внешних датчиков сужает область его применения, а отсутствие мер защиты от фальсификации измеренных значений и от несанкционированного вскрытия или повреждения корпуса прибора снижает надежность его как элемента автоматизированных информационно-измерительных и управляющих систем ответственных объектов автоматизации, таких, например, как ядерная энергетика, переработка нефти и газа и др.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое устройство, заключается в снижении энергопотребления системой сбора телеметрической информации за счет отключения электропитания от неактивных в данном цикле измерения датчиков, повышении скорости обмена по беспроводной сети до 100 Мбит/с за счет установки высокоскоростного универсального модема четвертого поколения LTE/UMTS/GSM, повышении уровня защиты информации от фальсификации путем установки специального блока формирования уникального 64-битного серийного номера устройства, обеспечении защиты устройства от несанкционированного вскрытия корпуса за счет установки под крышкой корпуса датчика обнаружения вскрытия или повреждения корпуса устройства, расширении арсенала технических средств в данной области техники.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации, содержащее корпус с возможностью крепления на горизонтальную и вертикальную поверхность, печатную плату, на которой расположены блок питания с супервизором питания, микроконтроллер с оперативной и постоянной памятью большого размера, часы реального времени со встроенной энергонезависимой памятью и литиевой батареей резервного питания, преобразователь интерфейса RS-232, преобразователь сигналов интерфейса RS-485 с блоком гальванической развязки, блок однопроводного интерфейса 1Wire, блок ввода дискретных сигналов телеизмерения, блоки двух интерфейсов Ethernet, блок интерфейса USB, сменный модуль интерфейсов PLC, ZigBee, WiFi, отличается тем, что дополнительно включает блок управления питанием датчиков, подключаемых к интерфейсу 1Wire, блок высокоскоростного универсального модема четвертого поколения LTE/UMTS/GSM, блок формирования уникального 64-битного серийного номера устройства и блок защиты от несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства, причем микроконтроллер и часы реального времени могут быть выполнены в виде одной микросхемы, блок формирования уникального 64-битного серийного номера устройства также может быть выполнен в виде одной микросхемы, а блок защиты от несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства может быть выполнен в виде микровыключателя.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение энергопотребления системой сбора телеметрической информации за счет отключения электропитания от неактивных в данном цикле измерения датчиков, повышение скорости обмена по беспроводной сети до 100 Мбит/с за счет установки высокоскоростного универсального модема четвертого поколения LTE/UMTS/GSM, повышение уровня защиты информации от фальсификации путем установки блока формирования уникального 64-битного серийного номера устройства, обеспечение защиты от несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства за счет установки под крышкой корпуса специального датчика для обнаружения факта несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства, расширение арсенала технических средств в данной области техники.

В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не было обнаружено устройства, обладающего такой же совокупностью существенных признаков и обеспечивающего заявленный выше технический результат. Указанное обстоятельство позволяет сделать вывод, что предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Предлагаемое устройство сбора, обработки и передачи телеметрических данных поясняется фиг.1. Устройство содержит блок 1 первичного преобразователя переменного напряжения ~220 В в постоянное напряжение, блоки 2 и 3 вторичных преобразователей напряжения питания для всех узлов устройства, блок 4 высокоскоростного универсального модема четвертого поколения LTE/UMTS/GSM, блок 5 интерфейса RS-232, блок 6 интерфейса RS-485, блок 7 оптоэлектронной гальванической изоляции интерфейса RS-485 от внешних цепей, блоки 8 и 9 двух сетевых интерфейсов Ethernet, блок 10 интерфейса USB, блок 11 дискретного ввода, блок 12 сменного модуля интерфейсов PLC, ZigBee, WiFi, блок 13 микроконтроллера, блок 14 супервизора напряжения питания, блок 15 управления напряжением питания датчиков, блок 16 однопроводного интерфейса 1Wire, блок 17 часов реального времени RTC с резервным питанием от блока 18 литиевой батареи, блок 19 серийного номера устройства, блок 20 оперативной памяти SDRAM, блок 21 памяти программ NAND FLASH, блок 22 датчика контроля вскрытия корпуса и блок 23 корпуса устройства.

Устройство работает следующим образом. Напряжение питания ~220 В переменного тока преобразуется первичным преобразователем (блок 1) в напряжение постоянного тока, которое далее преобразуется в напряжение 12 В (блок 2) и напряжение 3,3 В (блок 3) постоянного тока. Как только напряжение 3,3 В достигнет заданного рабочего уровня, супервизор питания (блок 14) снимет с микроконтроллера (блок 13) сигнал сброса и микроконтроллер произведет загрузку из постоянной памяти (блок 21) в оперативную память (блок 20) всех компонентов системы в автоматическом режиме в следующей последовательности:

- загружается база данных (БД), которая содержит текущую конфигурацию установленных драйверов;

- загружается Диспетчер драйверов, который, в соответствии с текущей конфигурацией, загружает все зарегистрированные драйверы;

- происходит переход устройства в режим «Работа».

В режиме «Работа», в соответствии с алгоритмом, происходит прием и обработка импульсных телеметрических сигналов от приборов учета электроэнергии, газа, воды, пара и т.п., подключенных к блоку ввода дискретных сигналов (блок 11), а также прием информации в цифровом виде от других приборов учета, подключенных к интерфейсам RS-232 (блок 5) и RS-485 (блок 6 и 7), от приборов учета, передающих данные через модем PLC (силовые линии питания ~220 В) и беспроводной радиосети ZigBee и WiFi (сменный блок 12). Датчики контроля параметров внешней среды (температура, влажность, освещенность, задымление и др., например, в системах «умный дом») опрашиваются через однопроводной интерфейс 1Wire (блок 16) в режиме энергосбережения, включающем четыре этапа:

- первый этап - подача на датчики электрического питания через управляемый микроконтроллером ключ (блок 15),

- второй этап - выдержка заданного времени для прогрева датчиков с целью достижения ими номинальных метрологических характеристик,

- третий этап - опрос датчиков,

- четвертый этап - отключение питания датчиков (блок 15).

Обработанные данные помещаются в единую БД и далее, по запросу или по предустановленному временному расписанию, контролируемому по часам реального времени (блок 17), передаются в центральный диспетчерский пункт (ЦДП) по двум сетевым каналам Ethernet (блоки 8, 9) и высокоскоростному универсальному радиомодему LTE/UMTS/GSM (блок 4).

Так как устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации накапливает и хранит в БД учетные данные о потребленных материальных и энергетических ресурсах, собранных с первичных приборов учета (счетчиков), то возможны попытки несанкционированного вскрытия корпуса прибора и внесения изменений в его конструкцию или алгоритм работы с целью фальсификации данных. Для повышения степени защиты устройства от несанкционированного вскрытия корпуса в его конструкцию введен датчик обнаружения и фиксации в БД факта вскрытия или повреждения корпуса (блок 22). При вскрытии корпуса устройства датчик выдает дискретный сигнал в блок микроконтроллера, который записывает бит признака вскрытия корпуса в энергонезависимую память БД с меткой времени, и передает предупредительное сообщение в ЦДП.

Для обнаружения попытки полностью подменить подлинное устройство поддельным с целью фальсификации данных, в его конструкцию введен формирователь уникального 64-битного серийного номера устройства (блок 19), который по интерфейсу I2C считывается микроконтроллером и передается в ЦДП в качестве идентификационного номера устройства в каждом сеансе связи. Физически блок 19 реализован в виде специализированной микросхемы, в постоянную память (ROM) которой изготовителем с помощью лазерного луча вписывается уникальный 48-битный серийный номер + 8-битный код семейства прибора + 8-битный код CRC. Код CRC вычисляется по известному алгоритму с помощью образующего полинома X⁸+X ⁵+X⁴+1 и служит для контроля целости самого 64-битного серийного номера в ROM.

Интерфейс USB (блок 10) служит для подключения к устройству портативного компьютера, с помощью которого пользователь может проводить проверку работы и настройку устройства.

Предлагаемое устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации может найти широкое применение в системах промышленной автоматизации, в системах типа «умный дом», в системах управления городским хозяйством и др.

Предлагаемое устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации может быть практически реализовано с использованием материалов и комплектующих изделий различных изготовителей. Как вариант, устройство было реализовано с использованием комплектующих изделий, приведенных в таблице. Проведенные испытания устройства подтвердили заявленный технический результат.

Номер блока	Наименование изделия	Тип	Количество
1	Первичный преобразователь	Выпрямитель B8S	1
2	Вторичный преобразователь	UCC28600DR, трансформатор	1
3	Вторичный преобразователь	TPS5430DDAR, LM1117	2
4	Модем LTE/UMTS/GSM	MDM9200 фирмы Qualcomm	1
5	Интерфейс RS-232	MAX3243ECDBR	1
6	Интерфейс RS-485	MAX13487EESA	1
7	Оптоизолятор	ISO7221ADR	1
8	Интерфейс Ethernet 1	KSZ8721CL	1
9	Интерфейс Ethernet 2	KSZ8721CL	1
10	Интерфейс USB	Интегрирован в AT91SAM9G20	1
11	Ввод дискретных сигналов	SN74LV165APWR	1
12	Сменный модуль интерфейсов PLC, ZigBee, WiFi	ST7540, MRF24J40	3
13	Микроконтроллер	AT91SAM9G20	1
14	Супервизор питания	TPS3809K33DBVR	1
15	Управление питанием датчиков	IRLML5203	1
16	Интерфейс 1Wire	DS2482S-100	1
17	Часы реального времени	DS1338Z-33	1
18	Литиевая батарея	CR2032	1
19	Узел формирования серийного номера устройства	DS28CM00R	1
20	Блок памяти SDRAM	K4S561632J	2
21	Блок памяти NAND Flash	K9F1G08U0B	1
22	Датчик вскрытия корпуса	Микрокнопка BS-A2B-1D-A-Z	1
23	Корпус	Стандартный из пластика	1