Шкаф телекоммуникационный многофункциональный Российский патент 2023 года по МПК H02B15/00 H02B1/32 H04W12/03 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкциям шкафов телемеханики для размещения оборудования сбора, обработки и передачи сигналов телеметрии и может быть использована для мониторинга и управления технологическими процессами различных объектов автоматизации, включая объекты электро- и теплоэнергетики, промышленных предприятий, водоснабжения, нефтяной и газовой промышленности, коммунального хозяйства, транспорта, генерирующих и сетевых компаний, трансформаторных подстанций, энергетических объектов, промышленных и приравненных к ним предприятий.

Из уровня техники известен шкаф телекоммуникационный, принятый в качестве наиболее близкого решения, содержащий корпус, внутри которого размещено телекоммуникационное оборудование с системой электропитания (см. патент на ПМ RU №188938, опубл. 30.04.2019 г.).

Недостатком наиболее близкого решения является отсутствие возможности бесперебойной работы (приема и передачи данных) в местах, где отсутствуют проводные и беспроводные каналы передачи данных, отсутствие средств создания беспроводных каналов передачи информации, с помощью которых возможна передача небольших по объему данных на дальние (до 40 км) расстояния по технологии LPWAN (протокол LoRaWAN) с использованием безлицензионных радиочастотных диапазонов, с целью сбора информации от оконечных устройств, использующих протокол LoRaWAN (например: приборы учета электроэнергии, расхода горячей/холодной воды и т.п.).

Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание такого конструктивно цельного устройства, которое объединяло бы в себе аппаратно-программные средства для создания высоконадежной сети LoRaWAN и выполнения функций шкафа телекоммуникационного (телемеханики) с надежной работой без прерывания передачи данных и с обеспечением шифрования передаваемых данных.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей шкафа телекоммуникационного (телемеханики) за счет обеспечения возможности надежной бесперебойной передачи/сбора данных о состоянии объектов энергетики, промышленности и ЖКХ по радиоканалу LP WAN (протокол LoRaWAN) на дальние расстояния (до 40 км) с возможностью шифрования передаваемых данных.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что шкаф телекоммуникационный содержит корпус, внутри которого размещено телекоммуникационное оборудование и блок электропитания, к корпусу шкафа прикреплена крышка с образованием при сборке замкнутого пространства, внутри которого жестко закреплена монтажная панель, на которой жестко закреплено телекоммуникационное оборудование, включающее радиоконтроллер, базовую станцию и локальный сервер сети LoRaWAN, один вход/выход радиоконтроллера с помощью провода соединен с входом/выходом базовой станции, а другой вход/выход радиоконтроллера с помощью провода соединен с входом/выходом локального сервера сети LoRaWAN, питающие входы радиоконтроллера, базовой станции и локального сервера сети LoRaWAN с помощью провода соединены с блоком электропитания, при этом радиоконтроллер выполнен с возможностью соединения с устройствами ввода/вывода, приборами учета, датчиками управления шкафом телекоммуникационным и с антенным и каналообразующим оборудованием, локальный сервер сети LoRaWAN выполнен с возможностью создания сети передачи данных LoRaWAN и организации обмена данными между оконечными устройствами LoRaWAN и MQTT брокером, а базовая станция выполнена с возможностью создания каналов передачи данных LoRaWAN для обмена данными между оконечными устройствами LoRaWAN и локальным сервером сети LoRaWAN.

Кроме того, радиоконтроллер может включать в себя модуль электропитания, процессорный модуль, модуль сети передачи данных и координат, интерфейсный модуль, модуль ввода/вывода сигналов, модуль часов реального времени, SMA разъемы для внешних антенн, держатель SIM-карт, слот для SD-карт, модуль индикации работы, модуль передачи и управления с радиомодулем, при этом радиомодуль выполнен на базе технологии LP WAN и имеет микроконтроллер с программным обеспечением, приемопередатчик и интегральную схему отечественного производства первого уровня для контроля доступа и защиты передачи данных.

Кроме того, локальный сервер сети LoRaWAN может включать в себя модуль электропитания, процессорный модуль, интерфейсный модуль, слот для SD-карт, модуль индикации работы.

Кроме того, базовая станция может включать в себя модуль электропитания, процессорный модуль, модуль передачи и управления, модуль сети передачи данных и координат, интерфейсный модуль, SMA разъемы для внешних антенн, держатель SIM-карт, слот для SD-карт, модуль индикации работы.

Кроме того, локальный сервер сети может быть соединен с блоком электропитания через преобразователь напряжения.

Изобретение поясняется чертежом, на фигуре которого схематично изображен предложенный шкаф телекоммуникационный с расположенными внутри него компонентами.

Предложенный шкаф телекоммуникационный (он же шкаф телемеханики) представляет собой программируемое мультифункциональное конструктивно цельное устройство (программно-аппаратный комплекс, мультифункциональный комплект подстанции (МКП (БС/ЛСС LoRaWAN)), имеющее единый корпус с расположенными внутри него электронными компонентами. Предложенный шкаф телекоммуникационный (телемеханики) предназначен для автоматизации учета энергоресурсов и диспетчеризации объектов энергетики, промышленности и ЖКХ, обеспечивающим обработку, хранение, преобразование и обмен информацией с серверами сбора и предназначенным для создания модульных автоматизированных систем мониторинга и управления технологическими процессами различных объектов автоматизации, включая объекты электро- и теплоэнергетики, промышленных предприятий, водоснабжения, нефтяной и газовой промышленности, коммунального хозяйства, транспорта, генерирующих и сетевых компаний, трансформаторных подстанций, энергетических объектов, промышленных и приравненных к ним предприятий.

Предложенный шкаф телекоммуникационный содержит корпус (не показан) и прикрепленную к нему на петлях крышку (дворцу), образующие при сборке замкнутое пространство, внутри которого размещены рабочие блоки (электронные компоненты, телекоммуникационное оборудование). Внутри корпуса жестко закреплена (любым возможным способом, например сваркой, резьбовым соединением и т.п.) монтажная панель, на которой жестко закреплены (также любым возможным способом, например сваркой, резьбовым соединением и т.п.) рабочие электронные компоненты.

Так, рабочие электронные компоненты (телекоммуникационное оборудование), расположенные внутри корпуса, включают в себя радиоконтроллер 1, базовую станцию 2, локальный сервер 3 сети, блок 4 электропитания (блок 4 питания). Все перечисленные компоненты жестко закреплены на монтажной панели, что позволяет исключить их случайное перемещение внутри корпуса, исключить разрыв подключения (соединения, связи) их между собой, тем самым обеспечив надежное рабочее состояние всего шкафа телекоммуникационного в процессе всего срока эксплуатации, обеспечив надежную бесперебойную передачу/сбор данных по радиоканалу на дальние расстояния.

Перечисленное телекоммуникационное оборудование (электронные компоненты), расположенное внутри корпуса, соединено друг с другом следующим образом.

Один (первый) вход/выход радиоконтроллера 1 подключен к входу/выходу базовой станции 2, а другой (второй) вход/выход радиоконтроллера 1 подключен к входу/выходу локального сервера 3 сети. При этом питающий вход радиоконтроллера 1, питающий вход базовой станции 2 и питающий вход локального сервера 3 сети соединены с блоком 4 питания (подключены к блоку 4 питания), причем локальный сервер 3 сети подключен к блоку 4 питания через преобразователь 5 напряжения. Подключение друг к другу перечисленных компонентов может быть, например, проводным, в том числе с использованием резьбовых соединений, исключающих разрыв связи между электронным телекоммуникационным оборудованием. Также возможно выполнение всех указанных компонентов на единой печатной плате с соответствующим электрическим соединением. В данном случае такая плата имеет защитный корпус, закрепленный на монтажной панели.

Соединение указанных электронных компонентов обеспечивается через соответствующие интерфейсы.

Так, например, первый вход/выход радиоконтроллера 1 представляет собой интерфейс FE02, к которому подключен вход/выход базовой станции 2 LoRaWAN (интерфейс FE). Второй вход/выход радиоконтроллера 1 представляет собой интерфейс FE01, к которому подключен вход/выход локального сервера 3 сети (интерфейс FE). Питающий вход радиоконтроллера 1 подключен к блоку 4 питания через модуль электропитания (12-24В). Кроме того, с радиоконтроллером 1 могут быть соединены через интерфейс RS-485 устройства ввода/вывода и приборы учета, а через интерфейс GPIO датчики охранно-пожарной сигнализации, подтопления и др., которые позволяют передавать в случае экстренной ситуации соответствующие сигналы на радиоконтроллер 1 для управления шкафом телекоммуникационным с дальних расстояний с использованием радиоканала. Также радиоконтроллер 1 может иметь SMA разъем для подключения антенного и каналообразующего оборудования для подключения к сети передачи данных (LoRaWAN).

С базовой станцией 2 также соединен локальный сервер 3 сети через интерфейсы FE01/FE02 радиоконтроллера 1, а питающий вход базовой станции подключен к блоку 4 питания через модуль электропитания (24В).

Питающий вход локального сервера 3 сети через преобразователь 5 напряжения подключен к блоку 4 питания также через модуль электропитания (24В).

Радиоконтроллер 1, расположенный внутри корпуса шкафа телекоммуникационного, включает в себя модуль электропитания (~200В, =12-24В), процессорный модуль (СР11, RAM, ROM, RTC), модуль передачи и управления с радиомодулем (приемопередающий радиомодуль, выполненный на базе технологии LPWAN и имеющий микроконтроллер с программным обеспечением, приемопередатчик и интегральную схему отечественного производства первого уровня для контроля доступа и защиты передачи данных, обеспечивающую возможность шифрования данных с целью обеспечения безопасности приема и передачи данных), модуль сети передачи данных и координат (GSM, LTE, GPS, WiFi и т.п.), интерфейсный модуль (включающий в себя интерфейсы RS-485, RS-232, Fast Ethernet (FE), USB), модуль ввода/вывода сигналов (GPIO), модуль часов реального времени (RTC), SMA разъемы для внешних антенн, держатель SIM-карт, слот для SD-карт, модуль индикации работы (LEDs).

Радиоконтроллер 1 выполняет стандартные функции контроллера шкафа телекоммуникационного (отправка данных о состоянии объектов энергетики, промышленности, ЖКХ и прием управляющих команд), а также служит для обмена данными между базовой станцией 2 и локальным сервером 3 сети через интерфейсы FE01/FE02, обмена данными между локальным сервером 3 сети и сервером 6 приложений через интерфейсы FE01, SMA, сеть передачи данных, а также выполняет функции Fire Wall для защиты шкафа телекоммуникационного от несанкционированного доступа.

Базовая станция 2 LoRaWAN включает в себя модуль электропитания (=24В), процессорный модуль (CPU, RAM, ROM), модуль передачи и управления (приемопередающий радиомодуль LPWAN, микроконтроллер), модуль сети передачи данных и координат (GSM/LTE, GPS и т.п.), интерфейсный модуль (включающий в себя интерфейсы Fast Ethernet (FE), USB), SMA разъемы для внешних антенн, держатель SIM-карт, слот для SD-карт, модуль индикации работы (LEDs). Также в базовой станции 2 дополнительно реализована возможность подключения электропитания по технологии РоЕ (Power over Ethernet).

Базовая станция 2 LoRaWAN служит для создания каналов передачи данных LoRaWAN с целью организации обмена данными между оконечными устройствами 7 LoRaWAN и локальным сервером 3 сети через интерфейсы SMA, FE, FE01/FE02 радиоконтроллера 1.

Локальный сервер 3 сети LoRaWAN включает в себя модуль электропитания (=5В), процессорный модуль (CPU, RAM, ROM), интерфейсный модуль (включающий в себя интерфейсы Fast Ethernet (FE), USB), слот для SD-карт, модуль индикации работы (LEDs).

Локальный сервер 3 сети LoRaWAN служит для создания сети передачи данных LoRaWAN и организации обмена данными (в том числе зашифрованными) между оконечными устройствами 7 LoRaWAN и MQTT брокером, входящим в состав локального сервера 3 сети. В свою очередь MQTT брокер служит для приема управляющих команд от сервера 6 приложений и передачи их на оконечные устройства 7 LoRaWAN, а также для приема данных от оконечных устройств 7 LoRaWAN и передачи их на сервер 6 приложений. Количество оконечных устройств 7, обменивающихся данными с локальным сервером 3 сети в сети передачи данных LoRaWAN может составлять более 850 (восьмиста пятидесяти) штук.

Преобразователь 5 напряжения включает в себя модуль преобразователя электропитания=12/=24В ⇔ =5В и предназначен для электропитания локального сервера 3 сети.

Блок 4 питания включает в себя модуль преобразователя электропитания ~220В ⇔ =12/=24В и отвечает за обеспечение электропитания рабочих блоков шкафа телекоммуникационного, включая радиоконтроллер 1, базовую станцию 2 и преобразователь напряжения 5.

Таким образом, предложенный шкаф телекоммуникационный представляет собой единое конструктивное программируемое устройство (программно-технический комплекс (ПТК) системы мониторинга и управления качеством электроэнергии уровня подстанции), выполненное в виде единого корпуса с прикрепленной к нему на петлях крышкой, образующего при сборке замкнутое пространство, внутри которого размещены рабочие блоки, отвечающие за:

- создание сети LoRaWAN для расширения функциональных возможностей шкафа телекоммуникационного за счет обеспечения возможности передачи данных (в том числе зашифрованных) о состоянии объектов энергетики, промышленности и ЖКХ по радиоканалу LPWAN (протокол LoRaWAN) на дальние (до 40 км) расстояния в местах, где отсутствуют проводные и беспроводные каналы передачи данных и нет экономической целесообразности создания таких каналов;

- мониторинг электро/тепло/газо/водоснабжения;

- решение задач (Автоматизированная система управления технологическим процессом), АСКУЭ (Автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии) и автоматизации производственных участков;

- охранно-пожарную сигнализацию и контроль доступа на объекты.

Наличие вышеописанного функционала позволяет реализовать на базе предложенного устройства функции автоматизации учета энергоресурсов, диспетчеризации объектов энергетики, промышленности, ЖКХ и передачи данных о состоянии объектов энергетики, промышленности и ЖКХ по радиоканалам LP WAN (протокол LoRaWAN).

Функционал предложенного устройства реализуется следующим образом.

При первоначальном включении базовая станция 2 производит опрос оконечных устройств 7 на предмет возможности их включения в сеть передачи данных LoRaWAN, после чего производится регистрация оконечных устройств 7 LoRaWAN в сети передачи данных LoRaWAN базовой станции 2 LoRaWAN и передача данных о зарегистрированных оконечных устройствах 7 на локальном сервере 3 сети LoRaWAN.

Локальный сервер 3 сети LoRaWAN формирует последовательность взаимодействия с оконечными устройствами 7, после чего данные, поступающие от оконечных устройств 7, начинают передаваться в базу данных MQTT брокера, а команды, поступающие от MQTT брокера, начинают передаваться в оконечные устройства 7.

Сервер 6 приложений как запрашивает данные от MQTT брокера локального сервера 3 сети LoRaWAN для дальнейшей обработки и использования, так и отправляет команды в MQTT брокер локального сервера 3 сети LoRaWAN для передачи в оконечные устройства 7 LoRaWAN с целью дальнейшего их исполнения. Управление оконечными устройствами 7 LoRaWAN осуществляется посредством отправки с сервера 6 приложений команд на радиомодуль LP WAN оконечных устройств 7 LoRaWAN в следующей последовательности: сервер приложений 6 -> локальный сервер 3 сети LoRaWAN -> радиоконтроллер 1 -> базовая станция 2 LoRaWAN -> оконечное устройство 7 LoRaWAN. Отправка информации от оконечных устройств LoRaWAN на сервер 6 приложений осуществляется в следующей последовательности: оконечное устройство 7 LoRaWAN -> базовая станция 2 LoRaWAN -> радиоконтроллер 1 -> локальный сервер 3 сети LoRaWAN -> сервер 6 приложений.

Устройством, выполняющим функции организации бесперебойной связи и передачи данных между сервером 6 приложений и локальным сервером 3 сети LoRaWAN является радиоконтроллер 1, который выполняет как стандартные функции контроллера шкафа телекоммуникационного (отправка данных о состоянии объектов энергетики, промышленности, ЖКХ (получаемых от УВВ (устройство ввода/вывода), ПУ (прибор учета) и т.п.] и прием управляющих команд (передаваемых на УВВ, ПУ и т.п.), так и служит для обмена данными между локальным сервером 3 сети LoRaWAN и базовой станцией 2 LoRaWAN, выполняя при этом функций Firewall для защиты шкафа телекоммуникационного от несанкционированного доступа.

Таким образом, наличие указанного функционала позволят реализовать на базе единого конструктивно цельного устройства (с расположенным внутри корпуса телекоммуникационным оборудованием) широкий набор функций, а именно:

- высоконадежную сеть передачи данных LoRaWAN за счет интеграции базовой станции 2 LoRaWAN и локального сервера 3 сети LoRaWAN в шкаф телекоммуникационный и исключения, тем самым, распределенных (имеющих низкую надежность) сетей передачи данных между базовой станцией 2 LoRaWAN и локальным сервером 3 сети LoRaWAN;

- безопасную передачу команд от сервера 6 приложений на оконечные устройства 7 LoRaWAN, входящие в сеть передачи данных LoRaWAN,, формируемую базовой станцией 2 LoRaWAN и локальным сервером 3 сети LoRaWAN (включающим в себя MQTT брокер);

- безопасный прием сервером 6 приложений данных от оконечных устройств 7 LoRaWAN, входящих в сеть передачи данных LoRaWAN, формируемую базовой станцией 2 LoRaWAN и локальным сервером 3 сети LoRaWAN (включающим в себя MQTT брокер);

- безопасный прием и передачу команд от сервера 6 приложений на радиоконтроллер 1 и обратно с целью автоматизации учета энергоресурсов, диспетчеризации объектов энергетики, промышленности, ЖКХ и передачи данных о состоянии объектов энергетики, промышленности и ЖКХ;

- передачу данных о состоянии объектов энергетики, промышленности и ЖКХ по радиоканалу LPWAN (протокол LoRaWAN) на дальние (до 40 км) расстояния в местах, где отсутствуют проводные и беспроводные каналы передачи данных и отсутствует экономическая целесообразность создания таких каналов.

Изобретение относится к конструкциям шкафов телемеханики для размещения оборудования сбора, обработки и передачи сигналов телеметрии и может быть использовано для мониторинга и управления технологическими процессами объектов электро- и теплоэнергетики, промышленных предприятий, водоснабжения, нефтяной и газовой промышленности, коммунального хозяйства, транспорта, генерирующих и сетевых компаний, трансформаторных подстанций, энергетических объектов, промышленных и приравненных к ним предприятий. Технический результат - расширение функциональных возможностей шкафа телекоммуникационного (телемеханики) за счет обеспечения возможности надежной бесперебойной передачи/сбора данных о состоянии объектов энергетики, промышленности и ЖКХ по радиоканалу LP WAN (протокол LoRaWAN) на дальние расстояния (до 40 км) с возможностью шифрования передаваемых данных. Технический результат достигается тем, что шкаф телекоммуникационный содержит корпус, внутри которого размещено телекоммуникационное оборудование и блок электропитания. К корпусу шкафа прикреплена крышка с образованием при сборке замкнутого пространства, внутри которого жестко закреплена монтажная панель, на которой жестко закреплено телекоммуникационное оборудование, включающее радиоконтроллер, базовую станцию и локальный сервер сети LoRaWAN. Один вход/выход радиоконтроллера с помощью провода соединен с входом/выходом базовой станции, а другой вход/выход радиоконтроллера с помощью провода соединен с входом/выходом локального сервера сети LoRaWAN, питающие входы радиоконтроллера, базовой станции и локального сервера сети LoRaWAN с помощью провода соединены с блоком электропитания. При этом радиоконтроллер выполнен с возможностью соединения с устройствами ввода/вывода, приборами учета, датчиками управления шкафом телекоммуникационным и с антенным и каналообразующим оборудованием. Локальный сервер сети LoRaWAN выполнен с возможностью создания сети передачи данных LoRaWAN и организации обмена данными между оконечными устройствами LoRaWAN и MQTT брокером, а базовая станция выполнена с возможностью создания каналов передачи данных LoRaWAN для обмена данными между оконечными устройствами LoRaWAN и локальным сервером сети LoRaWAN. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Шкаф телекоммуникационный, содержащий корпус, внутри которого размещено телекоммуникационное оборудование и блок электропитания, отличающийся тем, что к корпусу шкафа прикреплена крышка с образованием при сборке замкнутого пространства, внутри которого жестко закреплена монтажная панель, на которой жестко закреплено телекоммуникационное оборудование, включающее радиоконтроллер, базовую станцию и локальный сервер сети LoRaWAN, радиоконтроллер включает модуль передачи и управления с радиомодулем, выполненным на базе технологии LPWAN и имеющим интегральную схему отечественного производства первого уровня для контроля доступа и защиты передачи данных, один вход/выход радиоконтроллера с помощью провода соединен с входом/выходом базовой станции, а другой вход/выход радиоконтроллера с помощью провода соединен с входом/выходом локального сервера сети LoRaWAN, питающие входы радиоконтроллера, базовой станции и локального сервера сети LoRaWAN с помощью провода соединены с блоком электропитания, при этом радиоконтроллер выполнен с возможностью соединения с устройствами ввода/вывода, приборами учета, датчиками управления шкафом телекоммуникационным и с антенным и каналообразующим оборудованием, локальный сервер сети LoRaWAN выполнен с возможностью создания сети передачи данных LoRaWAN и организации обмена данными между оконечными устройствами LoRaWAN и MQTT брокером, а базовая станция выполнена с возможностью создания каналов передачи данных LoRaWAN для обмена данными между оконечными устройствами LoRaWAN и локальным сервером сети LoRaWAN.

2. Шкаф по п. 1, отличающийся тем, что радиоконтроллер включает в себя модуль электропитания, процессорный модуль, модуль сети передачи данных и координат, интерфейсный модуль, модуль ввода/вывода сигналов, модуль часов реального времени, SMA разъемы для внешних антенн, держатель SIM-карт, слот для SD-карт, модуль индикации работы, а радиомодуль имеет микроконтроллер с программным обеспечением и приемопередатчик.

3. Шкаф по п. 1, отличающийся тем, что локальный сервер сети LoRaWAN включает в себя модуль электропитания, процессорный модуль, интерфейсный модуль, слот для SD-карт, модуль индикации работы.

4. Шкаф по п. 1, отличающийся тем, что базовая станция включает в себя модуль электропитания, процессорный модуль, модуль передачи и управления, модуль сети передачи данных и координат, интерфейсный модуль, SMA разъемы для внешних антенн, держатель SIM-карт, слот для SD-карт, модуль индикации работы.

5. Шкаф по п. 1, отличающийся тем, что локальный сервер сети соединен с блоком электропитания через преобразователь напряжения.