Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Автоматизированные системы контроля параметров энергоносителей и аппаратно-программные средства для их реализации 13
1.1. Актуальность создания современных автоматизированных систем контроля параметров и расхода энергоносителей 13
1.2. Интеллектуальные датчики и системы управления 14
1.3. Передача информации в автоматизированных системах управления 17
1.4. Метрологическое обеспечение для автоматизированных систем контроля параметров энергоносителей 23
1.5. Выводы по 1 главе 24
Глава 2. Разработка аппаратно-программных средств для интеллектуальных систем контроля параметров и расхода энергоносителей 26
2.1. Интеллектуальная система контроля параметров и управления расходом энергоносителей 26
2.2. Конструктивно-технологические принципы построения интеллектуальных датчиков 30
2.3. Интеллектуальный датчик температуры 33
2.3.1. Структурная схема интеллектуального датчика температуры 33
2.3.2. Программное обеспечение 37
2.3.3. Конструктивно-технологические решения интеллектуальных датчиков температуры 41
2.3.4. Определение профиля температуры в системе датчик-теплоноситель 47
2.4. Счетчик импульсов 54
2.4.1. Конструкция и алгоритм работы 54
2.4.2. Программное обеспечение 57
2.5. Интеллектуальный датчик давления 59
2.6 Измеритель температурного напора 63
2.6.1. Конструкция и алгоритм работы 63
2.6.2. Программное обеспечение 67
2.7. Электронный термостатирующий элемент 70
2.8. Статистический анализ телеметрической информации в интеллектуальных системах контроля энергоносителей 78
2.9. Разработка способов определения несанкционированного воздействия на аппаратно-программные средства 83
2.10. Депассивация химических источников тока в аппаратно-программных средствах 86
2.11. Выводы по главе 2 87
Глава 3. Разработка методик и измерительных комплексов для исследования аппаратно-программных средств 91
3.1. Методика и измерительный комплекс для поверки высокоточных средств измерения температуры 91
3.2. Методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования влияния воздействия температуры на погрешность электронных измерительных схем 99
3.3. Методика и измерительный комплекс для исследования датчиков температуры 107
3.4. Методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования датчиков давления 113
3.5. Методика исследования и аттестации измерителей температурного напора 120
3.6. Методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования ресурса автономной работы аппаратно-программных средств 126
3.7. Выводы по главе 3 130
Глава 4. Разработка аппаратно-программных средств для передачи информации в интеллектуальных системах контроля энергоносителей 134
4.1. Алгоритм функционирования транспортного уровня интеллектуальной системы контроля энергоносителей 134
4.2. Устройство ретрансляции информации 136
4.2.1. Конструкция и алгоритм работы 136
4.2.2. Программное обеспечение 139
4.3. Разработка конструкций низкопотребляющих приёмо-передающих устройств 141
4.4. Разработка протокола передачи информации 144
4.5. Выводы по главе 4 149
Глава 5. Разработка методик для исследования беспроводных каналов связи в интеллектуальных системах контроля энергоносителей 151
5.1. Методика для исследований беспроводных каналов связи аппаратно - программных средств 151
5.2. Методика определения параметров настроек радиотрансивера 156
5.3. Методика исследования радиопроницаемости в зданиях и сооружениях 160
5.4. Выводы по главе 5 163
Заключение 167
Список литературы 171
Список сокращений и обозначений 183
Приложение 184
- Передача информации в автоматизированных системах управления
- Электронный термостатирующий элемент
- Методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования датчиков давления
- Разработка протокола передачи информации
Передача информации в автоматизированных системах управления
В настоящее время перспективные автоматизированные системы контроля и управления – это беспроводные информационно-управляющие системы, в которых данные между элементами системы передаются по радиоканалу. Однако, одной из основных проблем широкомасштабного внедрения таких систем является обеспечение надежной и достоверной передачи информации по радиоканалу на заданное расстояние. Сегодня эта проблема системно не исследована.
Существенное влияние на эффективность беспроводной передачи данных в беспроводных информационно-управляющих системах, используемых в зданиях и сооружениях оказывают перекрытия между этажами и стены между помещениями. Это требует комплексных исследований в реальных условиях эксплуатации системы. Информационно-управляющие системы (ИУС) устанавливаются для контроля различных систем жизнеобеспечения зданий и сооружений. Это ведет к постоянному увеличению плотности беспроводных датчиков и устройств, что является причиной возникновения новых проблем связанных с ограниченностью доступного диапазона используемых радиочастот.
Радиочастотный диапазон используется операторами мобильной связи, и в этом случае необходимо предотвратить взаимовлияния различных устройств друг на друга. Как результат, частотный диапазон делится на ряд полос, большинство из них либо запрещены для коммерческого применения, либо требуют лицензирования. Поэтому практически все устройства с малым радиусом действия функционируют в не лицензируемом диапазоне. Это относится и к разрабатываемым в данной диссертационной работе приемо-передающим устройствам. Преимущества использования не лицензируемых частот очевидны: не нужно тратить время и деньги на получение лицензии; многие производители поставляют на рынок целый набор радиокомпонентов, поддерживающих эти частоты, низкая стоимость ввода в эксплуатацию из-за отсутствия затрат на прокладку проводов и т.д.
Недостатки лежат в самой идее не лицензируемого диапазона: в узком диапазоне частот могут работать одновременно несколько систем, что приводит к возникновению помех из-за взаимовлияния и наложения при передаче данных. В этом случае возникает необходимость проводить исследования (тестирование) взаимовлияния беспроводных устройств, работающих на соседних частотных каналах, перед их установкой.
При создании и внедрении ИУС необходимо не только первоначально наладить работу системы, но и вести её постоянную диагностику. Для этого весьма актуальным является создание алгоритмов и программ для постоянного мониторинга качества передачи данных в ИУС. При создании программных средств для мониторинга необходимо создать базу данных для хранения полученной телеметрической информации, а так же алгоритмы статистической обработки и интеллектуального анализа данных. При таком подходе к решению проблемы становиться возможным создание адаптивных алгоритмов передачи информации. Адаптивный алгоритм, построенный на базе результатов интеллектуального анализа данных о качестве передачи информации, позволяет не только выбирать время передачи информации, но и мощность передатчика, тем самым допол 19 нительно экономить расход заряда автономных источников питания, что является весьма актуальным для беспроводных информационно-управляющих систем.
Создание современных беспроводных информационно-управляющих систем невозможно без использования автономных источников питания. При этом актуален выбор таких автономных источников тока, которые способны обеспечить наибольшее время эксплуатации интеллектуальных беспроводных устройств, что значительно сокращает затраты на их эксплуатацию. Поэтому при создании беспроводных информационно-управляющих систем необходимо проводить исследования элементов этих систем на ресурс работы при автономном питании.
В связи с вышеизложенным, решение рассмотренных проблем весьма актуально и способствует развитию не только информационных и управляющих систем, но и является основой для разработки новых технологий создания электронной компонентной базы радиопередающих устройств.
Многообразие конструкций зданий и сооружений не всегда позволяет осуществлять надежную связь в данной интеллектуальной системе. Такая проблема существует и у других производителей беспроводных средств связи, предназначенных для контроля и учета энергоносителей, например, Данфосс, Сименс и других [19]. Кроме того, радиосвязь требует существенных ресурсов по питанию. Значительно больших, чем затрачивается на измерение параметров энергоносителей. Приходится чаще заменять элементы питания - химические источники тока. Поэтому необходимо обратить внимание на решение указанной выше проблемы. А именно обеспечить надежную радиосвязь между компонентами автоматизированных систем контроля и управления в зданиях и сооружениях на примере интеллектуальной системы контроля потребления энергоносителей и обеспечить повышенный срок автономной работы источников питания, соответствующий, например, интервалу между поверками для средств измерений физических параметров энергоносителей, имеющих беспроводный интерфейс связи.
С этой целью в диссертационной работе будут созданы низкопотребляющие приемо-передающие устройства, предназначенные для интеллектуальных датчиков термодинамических параметров, счетчиков импульсов при измерении расхода энергоносителей, устройств ретрансляции информации, предназначенных для сбора и обработки данных с интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств. Все эти средства измерения и исполнительные устройства являются компонентами интеллектуальной системы контроля энергоносителей.
При создании и внедрении автоматизированных систем необходимо вести постоянную диагностику её работоспособности. Для этого весьма актуальным становиться создание алгоритмов и программ для мониторинга качества передачи данных по радиоканалу. При создании программных средств для мониторинга необходимо разработать алгоритмы статистической обработки и интеллектуального анализа данных. При таком подходе к решению проблемы становиться возможным создание адаптивных алгоритмов передачи информации. Адаптивный алгоритм, построенный на базе результатов анализа данных о качестве передачи информации, позволит не только выбирать время передачи информации, но и мощность передатчика, тем самым дополнительно экономить расход автономных источников питания, что является весьма актуальным для беспроводных информационно-управляющих систем.
Таким образом, решение проблем, поставленных в данной диссертационной работе весьма актуально и способствуют развитию не только информационных и управляющих систем, но и являются основой для разработки новых технологий создания электронной компонентной базы радиопередающих устройств.
В процессе выполнения диссертационной работы проведен анализ источников информации и учтены современные достижения, полученные по тематике исследований.
Проблема обеспечения устойчивой, надежной и главное недорогой связи между всеми устройствами, входящими в «умный дом» рассмотрена в работе [20]. Решение данной проблемы – использование беспроводной связи. При ее реализации предложено использовать программный стек сети SimpliciTI. При этом обеспечивается быстрое написание, загрузка и отладка программного обеспечения в реальном времени. Для сопряжения с компьютером применяются модули отладочных интерфейсов.
В работе [21] указано, что интеллектуальный микропроцессорный модуль системы связи и обработки информации датчиков должен использовать схемотехнические и системотехнические решения, обеспечивающие сокращение времени посылки информации в сетевой канал. Рассмотрены архитектуры высокопроизводительных интеллектуальных микропроцессорных модулей сбора и обработки информации датчиков физических величин. В работе [10] отмечена основная проблема, которая определяется тем, что несмотря на достигнутые результаты в области создания интеллектуальных датчиков и сетей датчиков для мониторинга объектов, основным препятствием в развитии данного направления является отсутствие единого сетевого стандарта. В сложившейся ситуации перед производителями датчиков возникает непростой выбор типа цифрового интерфейса и коммуникационного протокола, поскольку производство однотипных интеллектуальных датчиков для каждой из популярных в настоящее время сетей экономически невыгодно.
Автор работы [22] проанализировал проблемы получения информации с помощью датчиков. Представлены факторы, влияющие на точность данных, получаемых от интеллектуального датчика. Анализ проблем получения информации с помощью датчиков, приведенный в рассматриваемой работе, показал, что решать эти проблемы необходимо в комплексе, с учетом особенностей интеграции датчиков в системы, с учетом перспектив развития микроэлектроники, схемотехники, микропроцессорной техники и других факторов. А это возможно, если датчики будут выполнять не только свою основную функцию – преобразование физических величин, но и ряд функций, которые реализуются последующими узлами измерительной системы, а также некоторые специальные функции. Подобные датчики получили название интеллектуальных.
Электронный термостатирующий элемент
В данной работе предложены оригинальные аппаратно-программные решения для электронных термостатирующих элементов (ЭТЭ), которые устанавливаются на регулирующие радиаторные клапаны систем отопления и предназначены для автоматического управления по заданной программе расходом теплоносителя и, соответственно, потребляемой тепловой энергией. Таким образом, с помощью данных устройств производится регулирование температуры в отапливаемых помещениях в течение определенного периода времени по заданной программе.
Анализ состояния разработок ЭТЭ показал, что у нас в стране отсутствуют эффективные конструктивные решения, а за рубежом их количество весьма ограничено. Недостатком зарубежных аналогов являются проблемы, связанные с адаптацией термо-статирующих элементов в отечественных автоматизированных системах контроля энергоносителей, при совмещении протоколов обмена информацией по радиоканалу электронных компонентов этих систем. В связи с этим необходимо создание программного обеспечения и соответствующего протокола связи, совместимых с протоколами обмена информацией электронных компонентов, используемых в нашей стране автоматизированных систем контроля и управления энергоносителями [33, 37, 38, 40, 74].
ЭТЭ имеет автономное питание, поэтому одна из основных проблем применения ЭТЭ, это продолжительность их работы, определяемая ресурсом элементов питания. Увеличение времени эксплуатации ЭТЭ за счет снижения энергопотребления, обеспечиваемого эффективностью аппаратно-программных решений, в данной работе уделено особое внимание.
Разработано два варианта конструкции ЭТЭ, определяющих его функциональные возможности [74 ,75]. При управлении режимами работы ЭТЭ посредством комнатного термостата предлагается конструкция ЭТЭ-Т, структурная схема которого представлена на рисунке 2.25. В состав ЭТЭ-Т входят: сервопривод, включающий редуктор, двигатель и схему управления; микроконтроллер с встроенным АЦП; радиотрансивер; встроенная антенна, выполненная на печатной плате и 2 элемента питания формата АА, с напряжением 1,5 В. В качестве элементов питания использованы химические источники тока (ХИТ).
На комнатном термостате программируются изменения заданной температуры в помещении в течение задаваемого интервала времени (суток, недели и т.п.). Измеряя температуру в помещении, комнатный термостат по радиоканалу передает управляющий сигнал для ЭТЭ-Т, который принимается радиотрансивером, обрабатывается микроконтроллером и поступает затем в схему управления сервоприводом. Регулирование температурного режима в помещении с помощью сервопривода осуществляется по пропорционально - интегрально-дифференциальному (ПИД) закону. На определённое время включается двигатель, управляющий редуктором, шток которого регулирует степень открытия радиаторного клапана и, соответственно, расход теплоносителя.
Схема управления сервоприводом включает в себя датчик тока, предназначенный для контроля положения штока редуктора. Алгоритм работы схемы управления сервоприводом позволяет автоматически задавать величину хода штока. Микроконтроллер, реализованный на микросхеме MSP430F2132, по заданной программе определяет режимы функционирования ЭТЭ-Т.
Радиотрансивер, выполненный на микросхеме Texas Instruments CC1101, осуществляет связь с комнатным термостатом на не лицензируемой частоте 434 МГц. Эквивалентная излучаемая мощность радиотрансивера не превышает 10 мВт. В качестве двигателя и редуктора выбран электрический привод 25BYJ, имеющий напряжение питания 3,0 В. Ток при номинальной нагрузке составляет 400 мА, усилие на выходе 70 Н. Скорость перемещения штока – 0,5 мм/с, рабочий ход штока – 2,5 мм [76].
Рассмотренное конструктивное решение ЭТЭ-Т целесообразно использовать в помещениях, оборудованных несколькими отопительными приборами. В этом случае регулирование температуры в помещении осуществляется по заданной программе, установленной на микроконтроллере комнатного термостата. В состав комнатного термостата входят также электронный термометр, радиотрансивер для связи с ЭТЭ-Т, панель управления и жидкокристаллический индикатор.
Другой способ управления температурой в помещении реализуется без комнатного термостата, с помощью программируемых ЭТЭ-П. В этом случае температурный режим на задаваемый период времени программируется с помощью микроконтроллера и панели управления, входящих в состав ЭТЭ-П. Структурная схема программируемого электронного термостатирующего элемента представлена на рисунке 2.26.
В состав программируемого ЭТЭ-П входят: сервопривод; микроконтроллер с встроенным АЦП; электронный термометр; алфавитно-цифровой жидкокристаллический индикатор (ЖКИ); панель управления и ХИТ. На ЖКИ отображаются время, режимы работы и температура. Измерение температуры в ЭТЭ-П осуществляется с помощью интегрального датчика на основе микросхемы DS18B20, которая выполняет функции цифрового термометра с погрешностью измерения не превышающей ±0,5C.
Регулирование температуры в помещении происходит по следующему алгоритму. С помощью панели управления программируются, аналогично варианту с комнатным термостатом, изменения заданной температуры в помещении в течение задаваемого интервала времени.
На ЖКИ ЭТЭ-П отображаются текущая и заданные температуры, время и режимы работы. В ЭТЭ-П используется аналогичный комнатному термостату алгоритм работы схемы управления сервоприводом, который по ПИД закону с помощью радиаторного клапана регулирует подачу теплоносителя в отопительный прибор. Внешний вид ЭТЭ-П представлен на рисунке 2.27.
Коэффициенты a , b , c в уравнениях (2.3 – 2.5) определяются методом наименьших квадратов. Для расчета этих коэффициентов разработано программное обеспечение для персонального компьютера. Таким образом, удается оптимизировать выход на заданную температуру (T0j), во всем диапазоне рабочих температур при соблюдении высокой точности стабилизации заданной температуры.
Для оценки ресурса элементов питания в реальных условиях эксплуатации в составе ЭТЭ был проведен анализ их работы, исходя из следующих соображений. Температура в помещении должна поддерживаться на уровне заданной ± 1,5С. Суточный режим работы ЭТЭ, обеспечивающий поддержание заданной комнатной температуры, в основном, определяется колебаниями температуры на улице, теплоизоляцией помещения и мощностью отопительных приборов, которые в большей степени влияют на время выхода на температурный режим. Было проведено моделирование процесса изменения температуры в помещении с учетом суточных колебаний внешней температуры для ряда регионов России в каждом месяце отопительного сезона. Моделирование проводилось для жилых зданий с различной степенью теплоизоляции. Установлено, что в худшем случае, при резких колебаниях внешней температуры, необходимо до 20 раз в течение суток корректировать температуру в помещении с помощью ЭТЭ, т.е. порядка 1 раза в час. Результаты моделирования подтверждены проведенными исследованиями в Москве и области в течение отопительного периода 2014 г.
В зависимости от конструктивного исполнения ЭТЭ имеет несколько режимов работы и, соответственно, режимов потребления энергии от источника питания:
1. Режим перемещения штока радиаторного клапана (для ЭТЭ-Т и ЭТЭ-П) с целью регулирования расхода теплоносителя осуществляется 1 раз в час, за время не более 1 секунды. Потребляемый ток не более 400 мА. Установлено, что в течение одной секунды в результате перемещения штока клапана изменяется подача теплоносителя на 20%.
2. Режим радиосвязи, для конструктивного варианта ЭТЭ-Т. Радиосвязь с комнатным термостатом продолжительностью 0,1 секунды, осуществляется 1 раз в час, непосредственно перед перемещением штока. Потребляемый ток в этом режиме не более 30 мА.
3. Режим измерения температуры окружающего воздуха, для ЭТЭ-П. Продолжительность режима 10 миллисекунд, интервал между измерениями - 10 минут. Потребляемый ток 1 мА. Таким образом, за сутки производится 144 измерения.
4. Режим индикации данных на ЖКИ, для ЭТЭ-П. Работа ЖКИ осуществляется постоянно. Потребляемый ток не более 5 мкА.
5. Спящий режим (для ЭТЭ-Т и ЭТЭ-П), необходим для работы внутренних часов и микроконтроллера, функционирует постоянно. Потребляемый ток 1 мкА.
Как указано выше, в качестве элементов питания рассматривались ХИТ. Из используемых литиевых, щелочных и солевых ХИТ, с учетом электрической емкости и саморазряда, предпочтение отдано щелочным источникам (электрическая емкость 2700 -3000 мАчас, саморазряд 20% за 3 года). Литиевые источники имеют лучшие параметры (электрическая емкость 3000 - 3500 мАчас, саморазряд 2% за 3 года), но их цена в 4-5 раз выше щелочных.
Методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования датчиков давления
Для исследований и калибровки первичных преобразователей и интеллектуальных датчиков давления разработаны методика и аппаратно-программный измерительный комплекс, структурная схема которого представлена на рисунке 3.17 [70, 90].
В состав измерительного комплекса входит следующее оборудование: эталонный датчик давления Метран 150; ручной пресс ПУМ-60; климатическая камера SH-261; УРИ; мультиметр Keithley 2001; источник питания LPS 305; персональный компьютер со специальным программным обеспечением; преобразователь интерфейса N-port и металлический гибкий шланг.
Эталонный датчик давления определяет значение давления, создаваемого ручным прессом ПУМ – 60. Давление от пресса передается на исследуемые чувствительный элемент или ИДД через металлический шланг.
При проведении исследований на мостовую схему чувствительного элемента подаётся напряжение с источника питания. Выходной сигнал с мостовой схемы измеряется мультиметром в случае исследования первичных преобразователей или измерительной схемой, входящей в структуру ИДД. В этом случае, как и при проведении калибровки ИДД, данные измерений передаются с датчика по радиоканалу на УРИ, а затем, по интерфейсу RS - 485 через N-port на ПК, оснащенный разработанным нами ПО [70].
С помощью указанного ПО компьютер обрабатывает полученные данные измерений при исследовании и калибровке ИДД.
В структуре измерительного комплекса высокоточный пресс ПУМ – 60 является источником калиброванного значения давления. Основная приведенная погрешность эталонного датчика давления Метран 150 составляет ± 0,1%. Климатическая камера ис 115 пользуется в процессах исследования влияния температуры на погрешность измерений, а так же термокомпенсации при калибровке ИДД.
Разработанный измерительный комплекс имеет следующие технические характеристики:
- Диапазон измерения давления (32 – 1600) кПа;
- Диапазон реализуемых давлений (0 – 60) МПа
- Основная приведенная погрешность измерения давления ± 0,1%;
- Диапазон температур исследований (от минус 30 до + 120) С;
- Абсолютная погрешность стабилизации температуры ± 0,5 С;
- Протокол передачи данных: SimpliciTI, RS-232, RS-485;
- Частота передачи данных по радиоканалу: 434 МГц. На разработанном измерительном комплексе проведено исследование первичных преобразователей давления (сенсоров) с целью определения их чувствительности и вариации выходного сигнала сенсоров одного типа.
Как известно, чем выше чувствительность, тем проще добиться высокой точности измерений. Особенно это критично в нашем случае - при низком напряжении питания электрической схемы, используемом в интеллектуальных датчиках давления с автономным питанием.
В процессе исследований питание мостовой схемы сенсора осуществлялось от источника LPS 305 напряжением 2,5 В. Данное значение напряжения соответствует уровню напряжений химических источников тока, используемых для питания беспроводных интеллектуальных датчиков.
При указанном напряжении питания исследовалась зависимость выходного напряжения мостовой схемы сенсора от давления, формируемого прессом ПУМ – 60. Давление постепенно увеличивалось от 0 кПа до 1000 кПа с шагом в 100 кПа.
При разработке интеллектуального датчика давления был проведен анализ чувствительных элементов (сенсоров) давления различных производителей, как в России, так и за рубежом. В итоге, по совокупности параметров для исследований были выбраны три типа сенсоров: МИ-58-0,1; Д 2,5 М и WTP01. Исследования проводились на трех образцах каждого выбранного типа сенсоров давления.
Результаты исследования зависимости выходного напряжения сенсоров от давления (чувствительности сенсоров) представлены на рисунке 3.18.
Максимальная чувствительность получена у сенсоров Д 2,5 М. Результаты исследований (рис. 3.18) показали линейную зависимость выходного сигнала сенсоров от давления. Вариация выходного сигнала для исследованных образцов сенсоров одного типа не превышает 5 % для сенсора Д 2,5 М, 2% для WTP01 и 1% для МИ-58-0,1.
Заявленные производителями приведенные погрешности при нормальной температуре для сенсора МИ-58-0,1 составляет ±0,1 %, то есть ±2,5 кПа; для WTP01 составляет ±0,25 %, то есть ±6,25 кПа; для Д 2,5 М составляет ±0,4 %, то есть ±10 кПа.
Линейная зависимость выходного сигнала сенсоров во всем диапазоне исследуемых давлений позволяет сделать вывод о возможности калибровки ИДД в процессе их производства по двум точкам.
Изменение температуры эксплуатации ИДД может приводить к ухудшению их метрологических характеристик. Исследования влияния температуры на точность показаний ИДД проводились на 9 образцах, по 3 образца с каждым типом сенсоров давления.
ИДД устанавливались в климатическую камеру, в объеме которой стабилизировались температурные режимы 10С, 50С и 90С. Указанные значения выбраны из интер 117 вала температур эксплуатации ИДД. При каждом температурном режиме на исследуемые датчики подавалось давление 100 кПа, 500 кПа и 1000 кПа, контролируемое эталонным датчиком давления Метран 150. В результате были получены зависимости влияния температуры компонентов ИДД на точность измерений, которые представлены на рисунках 3.19, 3.20, 3.21.
Различия в показаниях датчика, которые наблюдаются при фиксированном давлении и различных температурах определяют погрешности измерений, вызванные температурным воздействием.
Дополнительная температурная погрешность измерения, рассчитанная с учетом показаний эталонного датчика давления, находящегося при нормальной температуре, составила для ИДД с сенсорами: Д 2,5 М - 3 %; WTP01 - 2,5 %; МИ-58-0,1 - 0,5 %.
Таким образом, сенсор МИ-58-0,1 оказался лучшим по метрологическим характеристикам. Это связано с тем, что при его изготовлении реализована термокомпенсация. В связи с этим, его стоимость значительно превышает стоимости других исследуемых в данной работе датчиков.
В конструкции разработанного в диссертации ИДД используется микросхема ZSC31014, которая имеет встроенный механизм программной термокомпенсации. Поэтому в процессе калибровки ИДД одновременно осуществляется и термокомпенсация компонентов электрической схемы. Это значительно дешевле, чем использовать в структуре ИДД дорогой сенсор с термокомпенсацией. В связи с этим, в качестве сенсора давления ИДД был выбран WTP01.
Термокомпенсация проводится в процессе калибровки ИДД аналогично методу, представленному в разделе 3.2. Для определения параметров корректировки математической модели расчета давления проводятся 3 измерения давления в начале, середине и в конце диапазона измерений (100кПа, 800 кПа и 1600 кПа). Термокомпенсация осуществляется при двух крайних температурах эксплуатации: 10 С и 90 С.
На рисунке 3.22 представлены результаты исследования трёх образцов разработанных ИДД с сенсорами WTP01 после калибровки с термокомпенсацией при давлениях: 100кПа, 500 кПа, 1000 кПа и 1600 кПа.
Исследования проводились при следующих температурах окружающего воздуха: 10 С, 50 С и 90 С. Установлено, что основная приведенная погрешность разработанных ИДД не превысила ±0,3% от верхнего предела измерения (1,6 МПа).
Разработка протокола передачи информации
По результатам сравнительного анализа для обмена данными между АПС в ИСК реализована технология SimpliciTI, выбор которой, как указывалось выше, основывается на ряде отличительных особенностей этой технологии: экономичность внедрения, низкие требования к аппаратной части, простота реализации и универсальность. Формат данных в протоколе SimpliciTI реализован проще, чем в других протоколах, что обеспечивает снижение потребления электроэнергии за счет сокращения числа операций при упаковке и распаковке данных, выполняемых микроконтроллером. Рассматриваемый протокол использован при конструировании АПС, применяемых для контроля расхода энергоносителей.
Концептуально протокол SimpliciTI состоит из трех программных уровней (приложение, связь и интерфейс связи), которые представлены на рисунке 4.6. Для построения законченного устройства достаточно работа только с уровнем приложения. Поддержка связи обеспечивается простой рассылкой API-запросов, используемых для инициализации сети, чтения и записи сообщений, и данные микроконтроллером принимаются непосредственно от радиоинтерфейса уже сформированными.
Обмен информацией между устройствами в беспроводных информационно-управляющих системах осуществляется по радиоканалу пакетами переменной длины. Структура пакета протокола SimpliciTI представлена на рисунке 4.7.
Информационный обмен поддерживает физический и логический уровень в соответствии с протоколом обмена между радиотрансиверами, которые входят в состав АПС, и персональным компьютером. Открытый протокол SimpliciTI предоставляет разработчику беспроводных систем только транспортный уровень и аппаратные средства его обеспечивающие, т.е. формат информационного пакета данных и соответствующие микросхемы радиотрансиверов. Наполнение этого пакета и настройка приемо - передатчика - задача, которую должен решить разработчик беспроводных систем.
Далее представлен полный перечень разработанных управляющих и информационных сообщений, которые обеспечивают взаимодействие приемо - передающих устройств между собой в составе ИСК.
Обмен между ПК (Master) и АПС (Slave) осуществляется пакетами переменной длины. Каждое устройство Slave имеет уникальный адрес. Поэтому только адресуемое устройство может ответить на запрос, который содержит его адрес. Количество устройств Slave, подключенных к устройству Master не должно превышать 127. Только Master может инициировать обмен.
Транзакции бывают либо типа запрос/ответ (адресуется только одному устройству Slave), либо широковещательные без ответа (адресуются всем устройствам Slave). Транзакция содержит один пакет запроса и один пакет ответа, либо один пакет широковещательного запроса без ответа. Максимальная длина пакета не превышает 256 байт. Для синхронизации начала обмена, ПК должен обеспечивать паузу, перед выдачей очередного пакета длительностью не менее 500 мс, а для устранения «зависания» обмена устройство Slave должно начать выдавать ответное сообщение за время не более 300 мс.
Настройка порта для интерфейса RS-485 в УРИ:
а) скорость обмена – 57600 бит/сек;
б) бит данных – 8;
в) контроль четности – нет;
г) стоповые биты – 2;
д) управление потоком – нет;
е) представление информации - беззнаковое 8-ми разрядное число.
Формат информационного пакета представлен в таблице 4.4.
LENGTH - длина пакета в байтах.
MISC - адреса УРИ, подключенных к сети, задаются в диапазоне от 0х01 до 0х7F для АПС и от 0х80 до 0хFF для ретрансляторов информации. Посылка с адресом 0х00 предназначена для всех оконечных устройств (АПС) и с адресом 0хFF для всех ретрансляторов информации.
DSTADDR - адрес получателя пакета, отражает физическое местоположение устройства в сети и состоит из 4-х байт.
SRCADDR - адрес отправителя пакета, отражает физический адрес устройства и состоит из 4-х байт.
PORT - тип посылки, определяет функциональное назначение информационных данных для устройств.
Device info - тип устройства и режим работы устройства.
APP Payload - информационные данные устройства.
CRC - контрольная сумма сообщения. CRC вычисляется передающим устройством и добавляется к сообщению. Принимающее устройство также вычисляет CRC в процессе приема и сравнивает вычисленную величину с полем контрольной суммы пришедшего сообщения.
Код назначения информационного сообщения записывается в информационном сообщении в поле PORT и определяет функциональное назначение информационных данных для УРИ или АПС. Коды и назначение основных типов информационных сообщений приведены в таблице 4.5.