УСТРОЙСТВО СИГНАЛИЗАЦИИ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G08B1/08 G08B23/00 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено в основном для контроля с помощью радиомаяка за местонахождением детей, лиц с ограниченной дееспособностью и домашних животных.

Известно радиомаяковое устройство для обеспечения персональной безопасности, в частности детей, по патенту США 5 196 825 от 23.03.1993, НКИ 340/539, МКИ G 01 B 1/08. Известное устройство содержит располагаемые на контролируемом человеке передатчик и приемопередатчик и неподвижный пункт приема сигналов обоих передатчиков. Известное устройство обеспечивает сигнализацию о факте насильственных действий и о превышении расстояния до человека заданного значения на основе измерения уровня сигнала. Вследствие низкого значения несущей частоты (3 5 МГц) и неоптимального приемника данное устройство может работать лишь на малых расстояниях от пункта наблюдения, и не позволяет непрерывно контролировать местонахождение человека.

Также известно устройство для наблюдения за деятельностью ребенка (патент США 5 119 072 от 2.06.1992, НКИ 340/573, МКИ G 08 B 23/00), содержащее блок кодирования голоса, радиопередатчик, радиоприемник, измеритель уровня несущей частоты сигнала, блок запоминания пикового значения, блок сравнения с порогом, визуальный индикатор, блок установки порога, блок звукового сигнала тревоги, декодер звука с регулятором. В устройстве передается модулированный звуком сигнал, при приеме по уровню несущей оценивается расстояние до передатчика и сравнивается с порогом, при слабом сигнале (большое расстояние) включается сигнал тревоги. Данное устройство также не позволяет сигнализировать о движении человека по известному маршруту, поскольку не имеет средств для регистрации с достаточной точностью зависимости уровня сигнала от местонахождения объекта в процессе движения.

Наиболее близким к заявляемому является устройство (патент США 4 325 057 от 13.04.1982, НКИ 340/539, МКИ G 08 G 1/12 на способ и устройство для регистрации прибытия школьного автобуса). Известное устройство содержит радиопередатчик, состоящий из задающего генератора радиочастоты с селектором несущей частоты, модулятора, усилителя мощности, антенны и звукового генератора, а также приемник, содержащий приемную антенну, усилитель высокой частоты с регулятором чувствительности, смеситель, гетеродин, усилитель промежуточной частоты, детектор, блок звуковой индикации и блок визуальной индикации. Известное устройство регистрирует факт приближения автобуса к соответствующему пункту по появлению визуального и звукового сигналов.

Известные устройства на основе радиомаяков обеспечивают лишь фиксацию факта нахождения объекта наблюдения внутри заданной границы и не дают возможности сигнализации о нахождении объекта с портативным радиомаяком с батарейным питанием на определенном маршруте. Данная задача возникает, например, при необходимости контроля за ребенком, самостоятельно идущим по городу в школу или в какое-либо другое регулярно посещаемое место в пределах 1 2 км от дома.

Система с использованием активного радиомаяка и пассивного приемника не позволяет непосредственно измерять расстояние до передатчика и дает возможность лишь косвенно оценивать расстояние между приемником и передатчиком по уровню принятого сигнала. Поэтому для решения задачи сигнализации о нахождении объекта на маршруте использованы следующие факторы:
при использовании радиоволн с длиной волны 1 2 м в условиях города зависимость уровня принятого сигнала от положения передатчика носит немонотонный многопиковый характер вследствие интерференции сигналов, отраженных от домов и других построек;
кривая зависимости уровня принятого сигнала от времени при движении объекта по какому-либо достаточно протяженному маршруту постоянна и индивидуальна для данного маршрута и поэтому может служить его образом.

Таким образом, зафиксировав однажды образ маршрута, можно контролировать повторное прохождение объекта по маршруту путем сравнения текущего образа с хранящимся в памяти.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. Для измерения с повышенной точностью колебаний уровня сигнала на маршруте, позволяющей получить необходимую детальность образа маршрута, увеличены чувствительность и динамический диапазон приемника за счет использования высокостабильной низкочастотной импульсной модуляции в передатчике и оптимальной фильтрации сигнала в приемнике, а для регистрации образа маршрута введены блок памяти и двухкоординатный индикатор (дисплей).

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства по основному пункту формулы изобретения; на фиг.2 функциональная схема блока обработки сигнала по второму пункту формулы изобретения; на фиг.3 пример зависимости уровня сигнала от времени при отображении его на экране индикатора; на фиг.4 - вариант выполнения функциональной схемы блока управления памятью. В соответствии с фиг.1, техническое решение заключается в том, что в устройство, состоящее из радиопередатчика, содержащего последовательно включенные задающий радиочастотный генератор 1, модулятор 2, усилитель мощности 3 и передающую антенну 4, и приемника, содержащего последовательно включенные приемную антенну 5, усилитель радиочастоты 6, смеситель 7, усилитель промежуточной частоты 8 и первый детектор 9, а также подключенный ко второму входу смесителя 7 гетеродин 10, блок визуальной индикации11 и блок звуковой индикации 12, введены в радиопередатчик последовательно включенные первый кварцованный низкочастотный генератор 13 и программируемый делитель частоты 14, выход которого подключен ко второму входу модулятора, и введены в приемник второй кварцованный низкочастотный генератор 15, последовательно включенные на выходе первого детектора 9 фильтр частоты повторения 16, второй детектор 17 и пороговый блок 18, последовательно включенные амплитудный ограничитель 19, блок обработки сигнала 20, коммутатор 21, аналого-цифровой преобразователь 22, блок памяти 23 с переключателем режима записи 24 и блок двухкоординатной индикации 25, а также блок управления памятью 26, адресный выход которого подключен к входу синхронизации блока двухкоординатной индикации, тактовые входы блоков 22 и 26 соединены со вторым выходом блока 20, выход генератора 15 подключен к тактовому входу блока 20.

В соответствии с фиг.2, блок обработки сигнала 20 содержит М каналов фильтрации 27, счетчик 28, дешифратор 29, M • N входовый коммутатор 30, ограничитель снизу 31, выходной фильтр нижних частот 32, каждый канал фильтрации 27 содержит полосовой фильтр 33, амплитудный детектор 34, N блоков стробирования 35 и N фильтров нижних частот 36. В соответствии с фиг.4, блок управления памятью 26 содержит формирователь строба записи 37, первый и второй счетчики адресов 38, 39, коммутатор адресов 40, генератор частоты считывания 41, счетчик 42 и триггер 43.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Миниатюрный радиопередатчик с батарейным питанием с антенной в виде отрезка тонкого провода длиной 1/4 длины волны излучения размещается малозаметным образом на одежде ребенка и включается в момент начала движения. Задающий радиочастотный генератор 1 на основе кварцевого резонатора формирует высокостабильное колебание в диапазоне 140 400 МГц. Модулятор 2 осуществляет импульсную модуляцию несущей и полученные радиочастотные импульсы усиливаются усилителем мощности 3 и излучаются антенной 4. Кварцованный низкочастотный генератор 13 формирует импульсы с частотой 32768 Гц. Программируемый делитель частоты 14 формирует короткие импульсы с частотой повторения F 8 128 Гц и скважностью N 4 32. Высокая скважность импульсов позволяет получить требуемую импульсную мощность передатчика при малой мощности потребления от батареи и делает возможной миниатюризацию передатчика. Импульсы формируются только в течение определенных интервалов времени, определяемых программой работы счетчика, для повышения экономичности использования батареи передатчика. Например, это может быть интервал времени прохождения маршрута, после чего передатчик не излучает.

Принятый антенной 5 приемника сигнал усиливается УРЧ 6, преобразуется на промежуточную частоту с помощью кварцованного высокостабильного гетеродина 10 в смесителе 7 и усиливается в УПЧ 8 до необходимого для работы последующих блоков уровня (примерно 1 вольт). Далее сигнал обрабатывается в двух каналах в канале низкой чувствительности (блоки 96 16 18) и в канале высокой чувствительности (блоки 19 20). Сигнал большого уровня, соответствующий малым расстояниям, детектируется амплитудным детектором 9, из детектированного сигнала фильтруется сигнал с частотой повторения импульсов F узкополосным фильтром частоты повторения 16 и преобразуется в постоянное напряжение амплитудным детектором 17. Пороговый блок 17 сравнивает этот сигнал с фиксированным порогом и при превышении порога переключает коммутатор 21 в положение, соответствующее прохождению сигнала с выхода детектора 17 на вход АЦП 22. При непревышении порога на вход АЦП 22 поступает сигнал с выхода блока 20.

В канале высокой чувствительности (слабый сигнал, большая дальность) сигнал с выхода УПЧ ограничивается по амплитуде ограничителем 19 до уровня шума приемника и далее оптимальным образом фильтруется в блоке обработки сигнала 20, который синхронизируется высокостабильным кварцованным низкочастотным генератором 15, идентичным генератору 13. Выделенный блоком 20 сигнал включает блок визуальной индикации 11 (например, в виде мигающей лампочки), а при непревышении порога (нет сигнала) включает блок звуковой индикации 12 для привлечения внимания наблюдателя.

Цифровой код, соответствующий амплитуде сигнала и признаку канала, с выходов АЦП 22 и порогового блока 18 записывается в блок памяти 23 в соответствии с тактирующими импульсами с выхода 2 блока 20. Период следования тактирующих импульсов достаточно большой (превышает 1 с), поэтому в промежутке между импульсами записи имеется возможность многократного считывания содержимого памяти, например, со стандартной частотой 25 кадров в сек. для отображения хода изменения сигнала на экране двухкоординатного индикатора 25, в качестве которого может быть использован телевизор, осциллограф или дисплей компьютера с цифро-аналоговым преобразователем на сигнальном входе. Для обеспечения возможности сравнения текущей кривой зависимости уровня сигнала от времени с образом маршрута блок памяти 23 хранит соответствующую информацию. Для записи этой информации с помощью переключателя режима записи 24 вручную переводят блок 23 в режим записи контрольного сигнала во вторую половину памяти и выполняют контрольный проход заданного маршрута. Текущая и контрольная кривые поочередно через кадр развертки отображаются на экране и вследствие инерционности зрения воспринимаются как две кривые (фиг.6). Визуальное сравнение текущей кривой с контрольной позволяет судить о соответствии текущего маршрута движения заданному. Чем более изрезанной является кривая зависимости уровня сигнала от положения объекта на маршруте, тем более достоверно можно судить о точности следования по маршруту. Затягивание горизонтальных участков свидетельствует об остановках объекта. По положению конца текущей кривой относительно концов контрольной кривой можно судить о примерном местонахождении объекта.

Блок обработки сигнала 20, показанный на фиг.4, работает следующим образом. В заявляемом устройстве темп следования отсчетов составляет менее одного отсчета в секунду, поэтому ширина спектра передаваемого сигнала может быть очень малой единицы и десятки герц. Уровень шума приемник и соответственно его чувствительность (по мощности) обратно пропорциональны ширине полосы пропускания, поэтому сужение полосы приемника со стандартного значения 3 6 КГц, требуемого для передачи речи, до полосы порядка 10 30 Гц позволяет примерно в 100 раз повысить чувствительность приемника. В свою очередь, это дает возможность при малой мощности передатчика увеличить в десятки раз дальность действия системы. В результате для работы на практически значимых расстояниях 1 2 км, в условиях экранирования зданиями, передатчик может быть выполнен весьма миниатюрным, что имеет большое значение для обеспечения скрытности установки передатчика на одежде ребенка. Заметность передатчика нежелательна, поскольку провоцирует повышенное внимание к ребенку со стороны сверстников и возможных похитителей.

Полоса пропускания УПЧ 8 определяется нестабильностью частоты кварцевого генератора 1, которая в диапазоне 150 400 МГц составляет 2 5 КГц при практически достижимой в диапазоне температур относительной нестабильности кварца 10 ^-5 . Каждый из фильтров 33 имеет одинаковую ширину полосы пропускания порядка 100 200 Гц, определяемую длительностью импульса передатчика, а их средние частоты отличаются на ширину полосы пропускания так, что все М фильтров перекрывают диапазон взаимной нестабильности частот генераторов 1 и 10. Число каналов М может составлять 8 32. Сигнал с выхода каждого фильтра детектируется амплитудным детектором 34 и подается на входы блоков стробирования 35, которые представляют собой аналоговые ключи. На вторые входы ключей подаются импульсы с частотой повторения F и скважностью N, т.е. идентичные импульсам на выходе блока 14.

Управляющие импульсы смежных блоков стробирования сдвинуты во времени на величину длительности импульса, так что N стробов необходима для того, чтобы учесть неопределенность временного положения импульсов передатчика относительно стробирующих импульсов из-за отсутствия синхронизации генераторов 13 и 15. Для формирования сетки стробов используется счетчик 28 и дешифратор 29.

Сигнал с выхода каждого блока стробирования 35 поступает на соответствующий фильтр нижних частот 36, реализованный, например, в виде интегрирующей RC-цепочки, который осуществляет накопление импульсов в течение интервала времени, определяемого постоянной времени фильтра. Максимальное время накопления определяется величиной 1/е _к8 F, где е относительная нестабильность частот генераторов 13 и 15. Благодаря использованию идентичных кварцевых резонаторов в блоках 13 и 15 можно реализовать значение е порядка 10 ^-4 10 ^-5 и тем самым время накопления сигнала может достигать нескольких сотен секунд, обеспечивая сужение эквивалентной полосы пропускания приемника до десятых и сотых долей герца. Дополнительным достоинством узкой полосы является возможность организации системы контроля с одновременной работой сотен устройств в одном стандартном частотном канале.

Сигналы с выходов всех MN ФНЧ 36 с помощью коммутатора 30 поочередно подаются на ограничитель снизу 31, который пропускает только сигналы, превышающие порог, определяемый уровнем шума приемника. Частота переключения коммутатора 29 выбирается в M • N раз больше частоты среза фильтров 36. Эта частота имеется на одном из разрядных выходов счетчика 28. Частота на выходе 2 блока обработки сигнала в M • N раз ниже частоты переключения коммутатора 30. Сигнал с выхода ограничителя снизу 31 пропускается через ФНЧ 32 с частотой среза, равной частоте среза фильтров 36, для устранения частоты коммутации.

Все блоки заявляемого устройства могут быть реализованы с использованием типовых элементов электронной техники. Блоки передатчика 1 3 и приемника 6 - 10, 16 19 описаны в книге: В.Т.Поляков "Радиолюбителям о технике прямого преобразования" М. Патриот, 1990, с.108 200. Блок 11 может быть выполнен на логическом вентиле, к выходу которого подключен светодиод. Блок 12 может быть выполнен в виде управляемого мультивибратора с подключенным к его выходу пьезоизлучателем. Блоки 13, 15, 31 36 описаны в книге В.И.Горошков "Радиоэлектронные устройства" М. Радио и связь, 1984. Блок 14 может быть выполнен на основе последовательно включенных микросхем K 561ИЕ16 и 564ИЕ15 и коммутатора К561КП2. Блок 24 обычный тумблер. Блок 22 может быть выполнен на ИМС типа К1108ПВ1. Блоки 30 и 35 могут быть выполнены на аналоговых ключах типа К561КП2. Блок 28 может быть выполнен на основе счетчиков К561ИЕ16 и 564ИЕ15, дешифратор 29 на основе соответствующего числа ИМС К561ИД1.

Блок памяти 23 может быть выполнен в виде двух ИМС статического ОЗУ типа НМ 62256 LP-12 (SRAM на 64 килобайта), входы управления записью которых переключаются переключателем 24, а адресные входы и входы-выходы данных соответственно объединены.

Блок управления памятью 26 осуществляет управление режимами записи и считывания блока памяти 23 и может быть выполнен по схеме, показанной на фиг.6. Блок работает следующим образом.

При поступлении очередного тактового импульса с выхода 2 блока обработки 20 блок 36 формирует импульс, который увеличивает на 1 значение адреса в счетчике 38, переключает коммутатор 40 к выходу счетчика 38 и по шине W/R переводит одно из ОЗУ в блоке памяти 23 (в зависимости от положения переключателя 24) в режим записи кода с выходов АЦП 22 и блока 18. По окончании импульса записи ОЗУ переводятся в режим считывания, их адресные входы подключаются к выходам счетчика 39. С помощью генератора 41 осуществляется быстрое считывание содержимого одного из ОЗУ. Счетчик 42 и триггер 43 осуществляют поочередную активизацию обоих ОЗУ по шинам СЕ для отображения текущей и контрольных кривых. Выходной сигнал блока 41 используется как синхросигнал для индикатора.

Устройство сигнализации местонахождения объекта относится к области радиотехники и предназначено в основном для контроля с помощью радиомаяка за местонахождением детей, лиц с ограниченной дееспособностью и домашних животных. Устройство состоит из радиопередатчика, содержащего последовательно включенные задающий радиочастотный генератор, модулятор, усилитель мощности и передающую антенну, и приемника, содержащего последовательно включенные приемную антенну, усилитель радиочастоты, смеситель, усилитель промежуточной частоты и первый детектор, а также гетеродин, подключенный ко второму входу смесителя, блоки звуковой и визуальной индикации, и отличается тем, что в радиопередатчик введены последовательно включенные первый кварцованный низкочастотный генератор и программируемый делитель частоты, выход которого подключен ко второму входу модулятора, в приемник введены последовательно включенные фильтр частоты повторения, второй детектор и пороговый блок, последовательно включенные амплитудный ограничитель, блок обработки сигнала с подключенным к его тактовому входу вторым кварцованным низкочастотным генератором, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти с переключателем режима записи и блок двухкоординатной индикации, а также введен блок управления памятью, подключенный своими выходами к адресному входу блока памяти и входу синхронизации блока двухкоординатной индикации, при этом входы блоков визуальной и звуковой индикации соединены с первым выходом блока обработки, вход фильтра частоты повторения подключен к выходу первого детектора, вход амплитудного ограничителя подключен к выходу усилителя промежуточной частоты, второй сигнальный вход коммутатора соединен с выходом второго детектора, выход первого порогового блока подключен к управляющему входу коммутатора и входу блока памяти, вход блока управления памятью и тактовый вход аналого-цифрового преобразователя соединены со вторым выходом блока обработки сигнала.

Введение указанных блоков позволяет регистрировать с повышенной точностью временную зависимость уровня сигнала маломощного радиопередатчика, размещенного на движущемся по определенному маршруту человеке и определять соответствие движения заданной зависимости, определенной заранее. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство сигнализации местонахождения объекта, состоящее из радиопередатчика, содержащего последовательно включенные задающий радиочастотный генератор, модулятор и усилитель мощности с подключенной к его выходу передающей антенной, и приемника, содержащего последовательно включенные приемную антенну, усилитель радиочастоты, смеситель, усилитель промежуточной частоты и первый детектор, а также гетеродин, выход которого подключен к второму входу смесителя, блок звуковой индикации и блок визуальной индикации, отличающееся тем, что в радиопередатчик введены последовательно включенные первый кварцевый низкочастотный генератор и программируемый делитель частоты, выход которого подключен к второму входу модулятора, а в приемник введены последовательно включенные фильтр частоты повторения, второй детектор и пороговый блок, последовательно включенные амплитудный ограничитель, блок обработки сигнала, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и блок двухкоординатной индикации, а также кварцевый низкочастотный генератор, идентичный кварцевому низкочастотному генератору радиопередатчика и подключенный к тактовому входу блока обработки сигнала, переключатель режима записи, подключенный к входу управления записью блока памяти, и блок управления памятью, адресный выход которого подключен к адресному входу блока памяти, а выход синхросигнала подключен к входу синхронизации блока двухкоординатной индикации, при этом тактовые входы аналого-цифрового преобразователя и блока управления памятью подключены к второму выходу блока обработки сигнала, вход фильтра частоты повторения соединен с выходом первого детектора, выход порогового блока подключен к управляющему входу коммутатора и к соответствующему разряду входа данных блока памяти, второй сигнальный вход коммутатора соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, входы блоков визуальной и звуковой индикации соединены с сигнальным выходом блока обработки сигнала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки сигнала содержит М каналов фильтрации, счетчик с подключенным к его разрядным выходам дешифратором с N выходами и последовательно включенные MN-входовый коммутатор, блок ограничения снизу и выходной фильтр нижних частот, при этом каждый канал фильтрации содержит последовательно включенные полосовой фильтр и амплитудный детектор, выход которого соединен с сигнальными входами N блоков стробирования, выход каждого блока стробирования подключен к входу соответствующего ему фильтра нижних частот, выходы фильтров нижних частот всех каналов фильрации подключены к соответствующим входам MN-входового коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходам соответствующих разрядов счетчика, одноименные управляющие входы блоков стробирования всех каналов фильтрации соединены и подключены к соответствующим выходам дешифратора, входы полосовых фильтров всех каналов фильтраци соединены между собой и являются сигнальным входом блока обработки сигнала, счетный вход счетчика является тактовым входом блока обработки сигнала, а выход выходного фильтра нижних частот и выход одного из разрядов счетчика соответственно первым и вторыми выходами блока обработки сигнала.