CC BY
217
УДК 621.396.44
Волков С.В., Дудоров М.Ю., Колдов А.С., Чапаев В.С.
Пензенский государственный университет
GSM-ТЕЛЕМЕТРИЯ
Рассматриваются вопросы применения систем дистанционного управления и контроля состояния удаленных объектов с передачей данных, команд и речевых сообщений по каналам сотовой связи (GSM) с помощью обычных сотовых телефонов (GSM-модема).
Ключевые слова: GSM-модем, телеметрия, микроконтроллер, датчик, дистанционное управление,
удаленный объект.
Быстрое повсеместное развитие сотовых сетей стандарта GSM открывает новые возможности для решения задачи по сбору информации о работе различного оборудования и дистанционного управления им по каналам сотовой связи. Особенностью такого оборудования является то, что оно распределено по большой территории, имеет много узлов, требующих контроля, и часто работает без постоянного надзора. Например, в состав тепловых сетей входят так называемые "бойлерные", где располагаются насосы, задвижки, манометры, краны и т.д., обеспечивающие отопление близлежаших домов. Обычно такие узлы работают без обслуживающего персонала. Работа такого оборудования, температура и давление воды контролируются и управляются или эпизодически приходящим персоналом, или, в последнее время, по модему с централизованного диспетчерского поста. В качестве канала передачи данных используются или выделенные линии, или радиоканал. Аренда как выделенных линий, так и радиочастот, существенно увеличивает текущие затраты. Если не рассматривать специфику, то в общих чертах аналогичная ситуация существует в газовых и электрических сетях, сетях водоснабжения и канализации, где также много объектов, находящихся без постоянного надзора, но требующих контроля для предотвращения аварийных ситуаций.
Разрабатываемое оборудование (рис. 1) предназначено для решения аналогичных задач [1], а именно для телеметрии по каналам сотовой связи, т.е. дистанционного контроля сигналов различных датчиков (Д14Дш) , расположенных на удаленных объектах, а также управления исполнительными устройствами (ИУ1^ИУп) с помощью команд, пересылаемых по каналам сотовой сети. Это оборудование служит как для периодического съема и протоколирования текущей информации о состоянии объекта, так и для своевременного обнаружения и оповещения о предаварийных и аварийных ситуациях. Базовый комплект оборудования (рис. 1) состоит из контроллера, к которому подключаются различные датчики и GSM-модем или сотовый телефон через его штатный разъем. Дистанционное управление исполнительными устройствами может осуществляться напрямую с помощью DTMF-сигналов с клавиатуры удаленного сотового телефона оператора, либо контроллером по запрограммированному заранее алгоритму [2] . Контроллер питается от сети 220В через сетевой адаптер. Также предусмотрено резервное питание от аккумулятора 12В на случай пропадания напряжения 220В. Контроллер автоматически заряжает по мере необходимости резервный аккумулятор.
К контроллеру подключается считыватель электронных ключей для контроля доступа обслуживающего персонала в помещение. К контроллеру могут подключаться датчики, обеспечивающие выходной сигнал в виде разрыва, замыкания или изменения сопротивления. При срабатывании какого-либо датчика контроллер выполняет операции по запрограммированному ранее алгоритму:
- осуществляет коммутацию заданных исполнительных устройств;
- через подключенный сотовый телефон производит рассылку коротких информационных SMS-сообщений по списку телефонов, предварительно занесенному на SIM-карту;
- при подключении речевого модуля рассылает голосовые информационные сообщения на обычные телефоны.
Мобильный телефон оператора, на который поступают сообщения, может быть подключен к компьютеру для автоматической диспетчеризации и протоколирования. Если послать с диспетчерского телефона запрос определенного формата, то контроллер в ответном сообщении проинформирует о состоянии датчиков, наличии питающих напряжений, температуре в контролируемом помещении и т.д. . Контроллер имеет встроенные реле для управления исполнительными механизмами, позволяющие коммутировать напряжение 220В и ток до 5А. Эти реле могут дистанционно включаться и выключаться по командам, приходящим с диспетчерского телефона. Предусмотрен режим автоматического включения реле при определенных сигналах датчиков. Например, в модификации контроллера, предназначенной для контроля отопительного оборудования, одно из реле автоматически включается при падении температуры в помещении ниже заданного уровня. Если к этому реле подключить запуск котла, то тем самым можно стабилизировать температуру в помещении. Контроллер отключит отопительный котел, когда температура в помещении достигнет заданного уровня. Задание температуры стабилизации также поступает с удаленного мобильного телефона. Применение такого контроллера для загородных домов и дач позволяет значительно экономить на отоплении, если владельцы посещают их редко. В этом случае обычно устанавливается минимально допустимая температура стабилизации, и только перед приездом с мобильного телефона задается нужная комфортная температура в помеще-
нии. Если необходимо включать мощное оборудование, например трехфазные насосы, то оно подключается к реле контроллера через промежуточные пускатели нужной мощности.
Датчики, подключаемые к контроллеру, могут быть самыми разнообразными. Это могут быть гер-коновые датчики, фиксирующие крайние положения задвижек и кранов, контакты манометров, замыкающиеся при достижении давлением заданных значений, датчики утечки взрывоопасных газов, датчики утечки воды, охранные датчики и т.д. Возможно подключение аналоговых датчиков для замера давления или температуры.
При использовании режима контроля доступа в помещение будет передаваться и протоколироваться время прихода и время ухода технического персонала.
В последнее время усилилась угроза террористических актов, когда злоумышленники разрушают в жилых домах газовые магистрали, из-за чего происходят взрывы домов. К сожалению, существует вероятность эскалации террористических актов такого рода. Необходимо техническое решение для системы оповещения о возможном взрыве газа. Те решения, которые сейчас предлагаются и реализуются, базируются на обычных технологиях, когда информация от датчиков, расположенных в подъездах, по кабелям передается в близлежащие диспетчерские пункты по обслуживанию лифтов. Например, в Москве реализуется программа установки в подъездах видеокамер, где сигнал от них поступает на мониторы в диспетчерские пункты и записывается на носители. В задачу дежурного входит одновременно контролировать ситуацию во всех подъездах. Но такое решение требует больших материальных, людских и временных ресурсов. Более перспективна система оповещения на основе сотовой сети. Для этого в каждом доме устанавливается в защищенном месте, например в лифтовой, один контроллер, к которому подключается необходимое количество датчиков утечки газа, располагающихся в местах возможного скопления газа. Для облегчения и ускорения монтажа можно реализовать обмен информацией между контроллером и датчиками по существующей сети 220В, без прокладки дополнительных кабелей. Современные датчики реагируют на концентрацию газа в 10 раз ниже взрывоопасной [3]. В случае срабатывания какого-либо датчика его номер, адрес дома и номер подъезда по сотовой сети передаются дежурному в газовую службу и полицию. В этом случае не требуется дополнительный персонал. Если газовую магистраль в доме доукомплектовать электромагнитным клапаном, то он будет автоматически перекрыт, и тем самым прекращена утечка газа. Контроллер периодически опрашивает все датчики и, не получив ответа от какого-то датчика, например, в случае их повреждения злоумышленником, своевременно оповестит об этом.
Если учесть, что утечки газа происходят все-таки редко, а современные тарифы сотовых операторов не предусматривают абонентской платы, то текущие затраты на оплату услуг сотовых компаний будут минимальными. Предлагаемая система может быть очень быстро развернута, практически не требует сложных монтажных работ, не нуждается в многочисленном обслуживающем персонале, стоит гораздо меньше, чем прокладка кабелей.
С развитием систем учета потребления тепла также встает задача оперативного сбора информации с датчиков учета тепла и передачи её в центральный пункт. В этом случае также может быть применена схема с одним GSM-контроллером в доме, собирающим информацию с датчиков и передающим её по сотовой сети. Относительно новым направлением в теплоснабжении является отказ от централизованного теплоснабжения и установка локальных котельных на крышах домов. Такие котельные работают в автономном режиме, и встает вопрос об их дистанционном контроле. Оптимальным в этом случае будет применение GSM-телеметрии в работе сервисных служб.
GSM-телеметрия может применяться для контроля состояния ветхих зданий. Здания, находящиеся в аварийном состоянии из-за ветхости, или расположенные на неустойчивых грунтах, необходимо оборудовать тензодатчиками, прикрепленными на стенах в наиболее опасных местах. Датчики подключаются к контроллеру, который отслеживает скорость смещения стен. При критическом нарастании скорости GSM-контроллер передает сигнал тревоги в соответствующую службу для организации эвакуации людей из этого здания.
В городах или на территории вокруг аварийно опасных промышленных объектов (атомных станций, химических предприятий и т.д.) устанавливаются станции экологического мониторинга, в которых смонтированы радиационные и датчики химически опасных веществ. Датчики через GSM-контроллеры передают информацию в центральный компьютер, где она обрабатывается. Карта с текущим распределением концентраций веществ публикуется в интернете и общедоступна. В случае возникновения опасных выбросов по этой карте в режиме реального времени можно отслеживать уровень концентраций и направление перемещения облака. Наличие такой общедоступной системы мониторинга снизит психологический стресс у людей, живущих рядом с опасными объектами, и повысит доверие к властям, вынужденным опровергать ложные слухи об авариях.
Интересным вариантом является мобильная станция экологического мониторинга, когда необходимые датчики и приборы установлены в автомобиле. При движении автомобиля через GSM-контроллер передаются координаты автомобиля и показания датчиков. Это позволяет оперативно просканировать исследуемую территорию.
Для электрических сетей характерно наличие многих автономных объектов, информация о работе которых должна оперативно отслеживаться. Это данные о состоянии различных пускателей и коммутаторов, информация о присутствии всех фаз, о напряжении, температуре масла трансформаторов и многое другое. Отсутствие своевременной информации может приводить к тяжелым авариям. Применение GSM-телеметрии в этих ситуациях является оптимальным решением. Другим применением GSM-телеметрии является сбор оперативной информации со счетчиков потребленной электроэнергии и передачи её в центральный пункт учета.
Обобщая вышесказанное, уже сейчас видны многие преимущества применения в жилищнокоммунальном хозяйстве (ЖКХ) передачи телеметрической информации о работе технических систем через каналы GSM [4]. Это
во-первых, относительная дешевизна по сравнению с существующими технологиями,
во-вторых, высокая скорость развертывания,
в третьих - универсальность.
Быстрое развитие сотовых сетей предоставляет новые возможности. Так, увеличение пропускной способности каналов связи позволяет передавать большие объемы информации по гораздо меньшей цене, чем с помощью SMS. Падают тарифы на услуги сотовой связи, становится общедоступной возможность передачи видеоизображения. Все это открывает новые возможности для решения технических проблем ЖКХ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волков С.В., Бахмутский А.А., Сазыкин П.А. Принципы построения систем контроля удаленных объектов на базе GSM-канала // Надежность и качество. Труды международ. симпоз. В 2-х томах. Том 2. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - С. 12 - 14.
2. Волков С.В., Бахмутский А.А., Сазыкин П.А. Аппаратный GSM контроль // Новые технологии в образовании, науке и экономике. Труды XVII-го Междунар. Симп. - М.: Инф-изд. центр
Фонда поддержки вузов, 2007. - С. 21 - 27.
3. Волков С.В., Никулин Е.Ю., Чапаев В.С. GSM-информатор утечки газа // Надежность и качество: Труды международ. симпоз. В 2-х томах. Том2. - Пенза: Инф.-изд. центр ПензГу, 2011, стр.115-117.
4. http://www.ksytal.ru/public.htm
