КОМПЛЕКС ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ Российский патент 2024 года по МПК G06K7/00 H04B7/15 

Заявленное изобретение относится к технологии радиочастотной идентификации RFID (Radio Frequency IDentification), давно уже применяемой на рынке. RFID - это современная система беспроводных пассивных и активных автономных датчиков.

Основное применение предложенного изобретения - контроль параметров среды с помощью датчиков RFID (температуры, влажности, содержания газа (СН4), (С2Н6), (С3Н8), (С4Н10) и прочих параметров) внутри экранированных пространств (ящики, щиты, ячейки, коробы, стойки, секции и т.д.). Основные области применения изобретения в:

1) Электроэнергетике

2) Топливной промышленности

3) Черной металлургии

4) Цветной металлургии

5) Военной промышленности

6) Космической промышленности

7) Химической и нефтехимической промышленности

8) Машиностроении и металлообработке

9) Лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности

10) Промышленности строительных материалов

11) Легкой промышленности

12) Стекольной и фарфорофаянсовой промышленности

13) Пищевая промышленность

14) Микробиологической промышленности

15) Медицинской промышленности

16) Транспортной и складской логистике;

Типичные области применения комплекса параметров среды (далее КПС), для контроля температурных параметров, включают в себя распределение электроэнергии общего назначения, распределительные устройства промышленного обслуживания, распределение электроэнергии в крупных офисных зданиях, центры обработки данных, удаленно распределенные присоединения основного блока (RMU) к первичной электрической сети и другие сферы, в которых используются металлические и иные поверхности.

Из уровня техники известен измерительный температурный комплекс, содержащий радиочастотные пассивные датчики температуры поверхностей RFID-меток, которые принимают сигнал RFID-антенны для опроса температурных RFID-меток, а после принимают от RFID-меток ответный сигнал (международная заявка WO 2020215161).

Наиболее близким аналогом к патентуемому решению является измерительный комплекс параметров среды (ИЗКПС), характеризующийся наличием, по меньшей мере, одной RFID-антенны, стационарных RFID -считывателей, передающих полученные данные по сети в программно-аппаратный комплекс, по меньшей мере, одного группового пассивного пленочного RFID ретранслятора-усилителя, выполненного в виде двух элементов, соединенных между собой электрическим контактом, а также радиочастотных пассивных датчиков, размещенных на пленочных RFID-метках, при этом групповой пассивный пленочный RFID ретранслятор-усилитель включает, по меньшей мере, один встроенный датчик, а обмен данными между датчиками и считывателем и ретранслятором-усилителем в воздушной среде (патент РФ №2761155, опубликовано 06.12.2021).

Недостатками наиболее близкого аналога являются:

Необходимость размещения простейших электронных компонентов на ретрансляторе-усилителе, включая собственный датчик температуры, для управления функцией приема-передачи электромагнитного сигнала, получаемого от RFID-антенны и передаваемого ретранслятором к температурным RFID-датчикам температуры, находящимся внутри экранированного пространства, что может привести к неточности снимаемых показаний;

Необходимость внесения изменений в порядок передачи сигналов запросов от считывателя к ретранслятору-усилителю, чтобы при первом такте обеспечить передачу электромагнитной энергии достаточной для запитывания чипов RFID-датчиков, находящихся внутри экранированного пространства, а на втором такте сделать запас энергии на ретрансляторе-усилителе, чтобы уловить слабый ответный сигнал от RFID датчика и передать его через RFID-антенну в считыватель.

Эти два существенных недостатка решаются только внесением изменений в алгоритм программного обеспечения, который регулируется ГОСТ Р 58701-2019 (ИСО/МЭК 18000-63:2015) «Информационные технологии. Идентификация радиочастотная для управления предметами. Часть 63. Параметры радиоинтерфейса для диапазона частот 860 - 960 МГц (Тип С)». Настоящий стандарт устанавливает физические и логические требования к пассивным системам радиочастотной идентификации, работающим в частотном диапазоне от 860 до 960 МГц на принципе обратного рассеяния с протоколом обмена данными типа "устройство опроса говорит первым" ("Interrogator talks first", ITF). В состав систем радиочастотной идентификации входят устройства опроса (считыватели) и радиочастотные метки.

Внесение изменений в стандарт является главным серьезным недостатком, который усиливается необходимостью в процессе расширения функционала (ИЗКПС) постоянных доработок программного обеспечения и соответственно постоянного изменения ГОСТ Р 58701-2019.

Также недостатком ИЗКПС является размещение ретранслятора- усилителя на дверях экранирующих пространств, а это в некоторых случаях может привести к невозможности обеспечить контролем некоторые виды оборудования, так как некоторые точки установки RFID-датчиков для контроля температуры могут находится в труднодоступных, внутренних, местах экранированного пространства, куда сигнал от ретранслятора-усилителя не сможет передаваться без помех, и соответственно, не могут быть считаны показания температуры с RFID-датчиков.

Еще один существенный недостаток заключается в установке ретранслятора-усилителя на дверях экранированного пространства. При частых открытиях-закрытиях дверей обслуживающим персоналом возможно повреждение провода соединяющего внешнюю и внутреннюю антенну ретранслятора-усилителя.

Технической проблемой, решаемой патентуемым изобретением, является устранение указанных недостатков.

Патентуемый КПС предназначен для решения проблемы экранировки мест контроля в применяемой области техники. Ввиду того, что большое количество оборудования, в котором необходимо измерять параметры устанавливается в металлических шкафах, ячейках, щитах, ящиках и сооружениях.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является повышение надежности комплекса и точности измерений при решении проблемы обхода экранирующего барьера (как правило, двери) сигналом антенны и ответным сигналом RFID-меток, установленных на контролируемых линиях оборудования. Кроме того, обеспечивается упрощение конструкции и увеличение расстояния контроля пассивных RFID-меток до 70 м.

Заявленный технический результат достигается за счет комплекса контроля параметров среды, характеризующийся тем, что включает, по меньшей мере, одну RFID-антенну и RFID-датчики, установленные в экранированном пространстве, разветвитель, соединенный со стационарным RFID-считывателем, передающим полученные данные по сети в программно-аппаратный комплекс, при этом диапазон рабочих частот RFID-антенны составляет 868-920 МГц, a RFID-считыватель соединен с RFID-антенной посредством коаксиально-волноводного тракта, выполненного с возможностью передачи сигналов опроса от RFID- считывателя к RFID-антенне и ответов RFID-датчиков от RFID-антенны в считыватель.

Также технический результат достигается за счет использования комплекса параметров среды, который включает, по меньшей мере, одну RFID-антенну и RFID-датчики, установленные в экранированном пространстве, инжектор с переключателем, соединенный со стационарным RFID-считывателем, передающим полученные данные по сети в программно-аппаратный комплекс, при этом диапазон рабочих частот RFID-антенны составляет 868-920 МГц, a RFID-считыватель соединен с RFID-антенной посредством коаксиально-волноводного тракта, выполненного с возможностью передачи сигналов опроса от RFID- считывателя к RFID-антенне и ответов RFID-датчиков от RFID-антенны в считыватель.

Таким образом, повышение надежности и упрощение конструкции обеспечивается за счет отсутствия необходимости размещения электронных компонентов на ретрансляторе. Отсутствие излучения сигнала вне экранированных пространств, что приводит к улучшению электромагнитной совместимости и снижению уровня экспозиции персонала радиочастотным излучением. Возможность ввода коаксиального кабеля через технологические отверстия, кабельные лотки и т.п., что дает больше возможностей для нахождения наилучшего места расположения антенны внутри экранированного пространства, что обеспечивает лучшее чтение данных с меток.

За счет отсутствия промежуточного излучения сигнала антенной считывателя и приема ретранслятором достигается не только снижение потерь электромагнитной энергии и, как следствие, отсутствие необходимости вмешиваться в протокол обмена информацией для обеспечения энергетических характеристик канала связи считыватель-метка.

Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.

На фигуре 1 показана общая блок-схема КПС с разветвителями коаксиального (волноводного) тракта от считывателя к RFID-антеннам с примером использования RFID-датчиков, измеряющих температуру, согласно варианту 1;

На фигуре 2 общая блок-схема КПС инжекторно-переключательного типа с разветвителями коаксиального (волноводного) тракта от считывателя к RFID-антеннам, согласно варианту 2;

Фигуры 3-4 - варианты применения КПС.

На фигурах 1-2 представлены следующие элементы:

1 - RFID-датчики, измеряющие, например, температуру, расположенные в двух экранированных пространствах 2;

3 - антенны, расположенные в экранированных пространствах 2;

4 - разветвитель;

5 - RFID-считыватель;

6 - программно-аппаратный комплекс (компьютер);

7 - смартфон;

8 - переключатель;

9 - инжектор.

RFID-датчики 1, применяемые в КПС, отвечают на опросы считывателя, отправляя данные параметров среды. RFID-датчики 1 выполняются в герметичном корпусе для защиты от погодных условий и различных загрязнителей. Все датчики специализированного антиметаллического исполнения (корпусные UHF датчики с высоким уровнем защиты от влаги от IP63 до IP68, пыли и механических воздействий, в датчики вставлен антиметаллический материал, пластик АБС, печатные платы, эпоксидную смолу, керамику и т.д.).

На рынке широко представлены RFID-метки, которые могут снимать параметры окружающей среды, такие как датчики температуры, влажности, содержания газов (СН4), (С2Н6), (С3Н8), (С4Н10), деформации, давления и т.д. Все эти RFID-датчики может использовать предлагаемый КПС.

RFID-антенна 3, устанавливаемая внутри экранированного пространства 2, осуществляет связь между RFID-считывателем 5 и RFID-датчиками 1 внутри экранированного пространства (3).

Для использования внутри экранированных пространств могут применятся RFID-антенны собственной разработки. Такие RFID-антенны должны обладать следующими параметрами:

Габаритные размеры (Д*Ш*В) 125*125*35 мм, диапазон рабочих частот 868-920 МГц. Коэффициент отражения на центральной частоте рабочего диапазона - 15 дБ. Коэффициент усиления (расчетный) 8 дБ, поляризация эллиптическая левая.

Разветвитель 4 предназначен для разветвления сигнала на входе на заданное количество выходов.

RFID-считыватель 5 формирует опрос RFID-датчиков и получает от них данные о параметрах среды.

В КПС используются как элемент инфраструктуры чтения информации стационарные RFID-считыватели. Для удаленной связи с диспетчерским компьютером, при отсутствии выделенной линии интернет может использоваться любое модемное решение, работающее в сетях сотовой связи.

RFID-считыватель 5 соединен с антенной 3 посредством коаксиально-волноводного тракта (кабеля), посредством которого происходит передача сигналов опроса от RFID-считывателя 5 к антенне 3 и ответов RFID-датчиков 1 от RFID-антенны 3 в RFID-считыватель 5.

Компьютер 6 обеспечивает работу программного обеспечения, которое отражает контролируемые параметры окружающей среды, позволяет настраивать работу RFID-считывателя и передает информацию о параметрах среды пользователям.

Смартфон 7 предназначен для отображения информации о параметрах окружающей среды, полученной от компьютера 6.

Инжектор 9 с переключателем 8 переключает сигнал с входа на один из заданного количества выходов.

В КПС применяется два вида схем подключения коаксиального тракта к экранированным пространствам.

Первый вариант, с разветвителем, показанный на фиг. 1, работает следующим образом.

Программа контроля датчиков в экранированном пространстве направляет считывателю запрос на чтение данные о температуре с датчиков, установленных в экранированных двух секциях. Считыватель направляет сигнал опроса через разветвитель в обе экранированные секции. Внутри секций установлены две RFID-антенны, через которые сигнал направляется датчикам температуры. Датчики отвечают на полученный запрос. Излучатель RFID-антенны 3, сочетающий в себе элементы электрического монополя и петлевого вибратора, излучает электромагнитные волны левой эллиптической поляризации. Внутри металлического шкафа, при отражении от стенок, волна меняет направление вращения плоскости поляризации на правую, при этом волна, отраженная RFID-меткой, сохраняет левое направление. Это позволяет улучшить соотношение сигнал/шум для информации, передаваемой температурными метками. Благодаря применению RFID-антенны с указанными параметрами, расчетная частота пропусков чтения меток предложенного КПС, обусловленная, прежде всего, особенностями протокола RFID, не превышает 5%, при этом время недоступности каждой метки для чтения при размещении 16 меток в 10 ячейках в 30 метрах от рабочего места оператора не превышает 5 минут.

Ответный сигнал датчиков со значением температуры проходит весь вышеописанный тракт в обратном порядке.

Данные о параметрах среды, снимаемые с RFID-датчиков, через коаксиальный тракт передаются непосредственно либо через интернет на компьютер диспетчера, либо в заданный программно-аппаратный комплекс. Данные передаются в частотном диапазоне от 860 МГц до 960 МГц и отражаются в реальном масштабе времени в стационарном компьютере или мобильном устройстве для оперативного оповещения обслуживающего персонала.

Описанный тракт «считыватель-коаксиальный кабель-RFID-антенна» внутри экранированного пространства является принципиальным отличием от тракта передачи сигналов ретранслятором-усилителем, раскрытого в решении, принятом в качестве наиболее близкого аналога.

Второй вариант (фиг. 2) коаксиального тракта от считывателя до датчиков в экранированных пространствах отличается только заменой разветвителя на инжектор (9) с переключателем (8), обеспечивающий переключение сигналов считывателя на несколько RFID-антенн 3 в нескольких экранированных пространствах 2.

Расстояние контроля (длина коаксиального тракта от RFID-считывателя до RFID-антенн, установленных в экранированных пространствах) составляет до 100 метров, что существенно удешевляет схему контроля промышленного оборудования. Один комплект КПС может обеспечить контролем до 64 экранированных пространств. Комплект КПС подлежит установке в отдельных или смежных помещениях ввиду ограничения на расстояние от считывателя до экранированного пространства не более 100 метров.

При необходимости охвата большего количества контролируемых объектов (экранированных пространств), расширяется количество устанавливаемых комплектов.

При работе КПС в одном экранированном пространстве, можно установить до 10 RFID-датчиков параметров внешней среды. Максимальное количество RFID-датчиков параметров среды в одном комплекте составляет не более 640 штук.

Данные технические параметры решают проблему удешевления схемы контроля пассивных RFID-меток с датчиками среды, установленными в экранированных пространствах.

Таким образом, использование предложенного КПС в решении проблем обхода экранирующего барьера (как правило, двери) сигналом антенны и ответным сигналом датчиков RFID-меток, установленных на контролируемых поверхностях оборудования с помощью передачи управляющих сигналов от RFID-считывателя не по воздуху (как в ИЗКПС), а через коаксиальный тракт прямо к RFID-антенне, расположенной непосредственно внутри экранированного пространства, позволяет:

• избежать изменения алгоритма работы утвержденного стандартом ГОСТ Р 58701-2019;

• избежать помех, которые образуются при воздушной передаче сигнала от RFID-антенны к ретранслятору-усилителю (ИЗКПС);

• значительно увеличить расстояние от считывателя до RFID датчиков, установленных в экранированных пространствах от 30 до 70 метров, в отличии от ИЗКПС (наиболее близкого аналога), где аналогичное расстояние не больше 15 метров;

• устанавливать RFID-датчики в любых местах экранированного пространства, так как RFID-антенну можно разместить в любом удобном месте внутри экранированного пространства, обеспечив гарантированное считывание показателей температуры.

• повысить надежность КПС, так как постоянное открытие и закрытие дверей экранированного пространства, могут повредить соединительный элемент между внутренней и внешней антеннами ретранслятора-усилителя (ИЗКПС)

• обеспечить связь с RFID-датчиками с минимальными потерями мощности, так как потери в коаксиальном кабеле значительно меньше, чем потери при передаче сигнала по воздуху.

Комплекс КПС может применятся для любого количества контролируемых мест, в экранированных пространствах. Для масштабирования комплекса увеличивается общий объем применяемого оборудования.

Пример 1.

Проводили тестирование КПС для контроля температуры в закрытых экранированных пространствах. Тестируемый комплекс КПС состоит из следующих компонент:

1. 2 металлических шкафа, имитирующих энергетические ячейки, по 4 секции в каждом шкафе. Всего использовалось 8 экранированных секций;

2. RFID-датчики температуры в антиметаллическом исполнении, установленные в экранированной секции;

3. RFID-антенны, установленные в каждой экранированной секции;

4. RFID-считыватель, установленный на боковой стенке металлического шкафа с 4 выходами;

5. 2 разветвителя коаксиально-волноводного кабеля и сам кабель, подведенный к тыльной стороне металлических шкафов и далее каждый кабель, соединенный с RFID-антеннами, установленными внутри каждой экранированной секции;

6. Компьютер со специализированным программным обеспечением для контроля температуры в экранированных секциях ячеек;

7. Для удаленного контроля температурных показателей в КПС применяется модем и антенна к модему, через которые можно контролировать температурные режимы с помощью компьютера в любом месте нахождения диспетчера или обслуживающего персонала;

8. Для оперативного технического контроля информация, данные о температуре в реальном масштабе времени передаются на смартфоны обслуживающего персонала.

Контролируемые RFID-датчиками, установленными в экранированных секциях, температурные режимы в секциях отображаются на экране монитора, при этом предусмотрена цветовая индикация температурных режимов: зеленым цветом показаны датчики с нормальной температурой, синего цвета с температурой ниже заданного порога, желтым цветом показан датчик с температурой близкой к критической, красного цвета показана температура датчиков с критической температурой перегрева контролируемого объекта.

Тестирование имитировалось на расстоянии 30 метров (длина кабельных коаксиальных коммуникаций) от считывателя до датчиков температуры, установленных в экранированных пространствах.

Пример 2.

Проводили тестирование КПС для контроля температуры в закрытых экранированных пространствах. Тестируемый комплекс КПС состоял из тех же компонент, что и в примере 1, только с отличием в том, что вместо разветвителя, установлен переключатель с инжектором, для уменьшения потерь на разветвителях.

Контролируемые RFID-датчиками, установленными в экранированных секциях, температурные режимы в секциях отображаются на экране монитора, при этом предусмотрена цветовая индикация температурных режимов: зеленым цветом показаны датчики с нормальной температурой, синего цвета с температурой ниже заданного порога, желтым цветом показан датчик с температурой близкой к критической, красного цвета показана температура датчиков с критической температурой перегрева контролируемого объекта.

Тестирование имитировалось на расстоянии 70 метров (длина кабельных коаксиальных коммуникаций) от считывателя до датчиков температуры, установленных в экранированных пространствах.

Группа изобретений относится к области радиочастотной идентификации. Система для измерения параметров окружающей среды содержит компьютер, RFID-считыватель, по меньшей мере одну RFID-антенну и RFID-датчики, установленные в экранированном пространстве, разветвитель, причем RFID-считыватель соединен с RFID-антенной через разветвитель посредством коаксиально-волноводного тракта, выполненного с возможностью передачи сигналов опроса от RFID-считывателя к RFID-антенне и сигналов с RFID-датчиков через RFID-антенну в RFID-считыватель, который передает полученные данные в компьютер, причем диапазон рабочих частот RFID-антенны составляет 868-920 МГц. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для измерения параметров окружающей среды, содержащая компьютер, RFID-считыватель, по меньшей мере одну RFID-антенну и RFID-датчики, установленные в экранированном пространстве, разветвитель, причем RFID-считыватель соединен с RFID-антенной через разветвитель посредством коаксиально-волноводного тракта, выполненного с возможностью передачи сигналов опроса от RFID-считывателя к RFID-антенне и сигналов с RFID-датчиков через RFID-антенну в RFID-считыватель, который передает полученные данные в компьютер, причем диапазон рабочих частот RFID-антенны составляет 868-920 МГц.

2. Система для измерения параметров окружающей среды, содержащая компьютер, RFID-считыватель, по меньшей мере одну RFID-антенну и RFID-датчики, установленные в экранированном пространстве, инжектор, переключатель, причем RFID-считыватель соединен с переключателем через инжектор посредством коаксиально-волноводного тракта, переключатель соединен с RFID-антенной посредством коаксиально-волноводного тракта, выполненного с возможностью передачи сигналов опроса от RFID-считывателя к RFID-антенне и сигналов с RFID-датчиков через RFID-антенну в RFID-считыватель, который передает полученные данные в компьютер, причем диапазон рабочих частот RFID-антенны составляет 868-920 МГц.