Новый датчик положения адресный ДПА

Предпосылки для разработки нового промышленного дизайна датчика

Датчик положения адресный (ДПА) для колодцев связи, водоканала и пр. первой версии был разработан в 2013 году и продается с 2014 года в составе оборудования контроля доступа в колодцы кабельной канализации и колодцы резервуаров чистой воды системы «CENSOR-Monitoring»®. ДПА устанавливается в колодце непосредственно на крышку люка. Датчик подключается к кабелю, который прокладывается по контролируемой трассе колодцев. Этот кабель используется для подачи питания на ДПА и передачи информации о текущем состоянии датчика на блок охраны колодцев связи БОКС или модуль контроля МК-САДКО. Длина кабельного шлейфа может достигать 20 километров.

При использовании кабельного шлейфа такой длины большое значение имеют два параметра датчика:

• передача данных без искажения;
• минимальное энергопотребление.

Особенности первой версии датчика охраны колодцев ДПА

ДПА срабатывает при открывании люка, когда угол отклонения от горизонтальной плоскости превышает 7 градусов относительно горизонта. При срабатывании датчик генерирует сигнал «Вскрытие», который передается по шлейфу сигнализации на блок охраны колодцев связи (БОКС), установленный в диспетчерской.

Датчики первоначальной конструкции не рекомендовалось размещать на люках, имеющих наклон к горизонту или расположенных в потенциально вибро- и ударонагруженных местах (мосты, шоссе, путепроводы, трамвайные пути, дороги для большегрузного транспорта). Причиной является риск ложного срабатывания.

Монтаж ДПА выполняется с помощью крепежа, входящего в комплект поставки. Для производства монтажных работ требуются: автономный источник питания (например, бензогенератор), дрель, шуруповерт, сверло по металлу.

Разработка нового дизайна датчика была вызвана необходимостью решения нескольких актуальных задач:

• устранение ограничения по установке на крышку люка с наклоном;
• исключение ложного срабатывания из-за вибрации и ударов;
• упрощение монтажа в колодце кабельной и иной канализации.

Принцип работы первой версии ДПА

Первая версия ДПА производится на базе 8-битного контроллера ATtiny. Согласно документации, контроллер потребляет около 200 мкА при напряжении питания 1,8 В и тактовой частоте 1 МГц. Снижение тактовой частоты контроллера до 32 кГц позволило снизить энергопотребление до 60 мкА.

Для определения положения датчика используется акселерометр, который подключается к контроллеру по шине I2C. Типовая схема подключения (Рисунок 1) требует применения подтягивающих резисторов номиналом 10 кОм на линиях SDA и SCL.

Недостатком данной схемы подключения являются резкие скачки потребления при опросе акселерометра. Также, сказывается низкая тактовая частота контроллера, из-за которой увеличивается время опроса акселерометра, вследствие чего имеем более продолжительный пик потребления датчика. При подключении к линии 60 датчиков с высокой вероятностью происходит одновременный опрос акселерометров на нескольких датчиках одновременно.

Рисунок 1 – Типовая схема подключения акселерометра

Чтобы обеспечить стабильное потребление, нами был разработан алгоритм, который не требует постоянного опроса акселерометра. Суть решения состоит в следующем. Выполнен математический расчет порогового значения, соответствующего отклонению в 7 градусов. При включении ДПА расчетное значение однократно записывается в память акселерометра. При превышении заданного значения акселерометр подает высокий уровень на порт прерывания. Контроллер же в процессе работы периодически анализирует состояние порта прерывания и определяет текущее состояние акселерометра, а, следовательно, и положение всего датчика.

Преимущества решения: 

1. Отсутствуют сложные вычисления. Контроллер обрабатывает сигнал прерывания подобно обработке состояния обычного сухого контакта.
2. Исключается необходимость опроса акселерометра, что позволяет сократить энергопотребление.

Ограничением является необходимость установки датчика в горизонтальном положении. Это затруднительно по ряду причин: 

• крышка люка может иметь наклон;
• поверхность крышки имеет неровности, которые необходимо компенсировать при монтаже;
• возможно отклонение оси колодца из-за естественного оседания грунта;
• плата самого датчика может сместиться под небольшим углом в процессе заливки компаундом.

Принцип работы новой версии ДПА

В новой версии ДПА используется 32-битный котроллер STM32L0. Данный контроллер потребляет около 80 мкА при напряжении 1,8 В и тактовой частоте 1 МГц. Также контроллер имеет аппаратную поддержку шины SPI, которая позволила избавиться от скачков потребления при опросе датчика.

Переход на новый контроллер и шину SPI позволил разработать алгоритм, при котором ДПА запоминает свое положение. Суть решения состоит в следующем. Контроллер периодически опрашивает акселерометр и вычисляет угол отклонения относительно горизонта. Если угол отклонения составляет менее 20° в течение 10 секунд, то датчик переходит в состояние «НОРМА» и записывает в память текущие показания акселерометра. После этого контроллер продолжает опрашивать акселерометр и вычислять угол отклонения относительно положения хранящегося в памяти. Если угол отклонения превысит величину в 7° от записанного в память значения, то датчик перейдёт в состояние «СРАБОТКА» и алгоритм повторится сначала.

Достоинства алгоритма: 

• порог в 20 градусов значительно упрощает монтаж;
• учитывается возможность постепенного отклонения осевой линии люка из-за оседания грунта;
• сохраняется чувствительность к небольшим отклонениям. При этом исключается срабатывание из-за кратковременных вибраций.

Итоговый алгоритм предполагает постоянный опрос акселерометра, и выполнение расчетов в реальном времени. В период бездействия контроллер переходит в режим гибернации с минимальным энергопотреблением. Он выходит из него по срабатыванию таймера для опроса акселерометра и выполнения расчетов.

Проведенные эксперименты продемонстрировали, что оптимальное соотношение потребления и производительности достигается при динамическом изменении тактовой частоты контроллера. Частота 131 кГц достаточна для передачи текущего состояния в систему мониторинга. Для опроса акселерометра и расчетов угла отклонения частота увеличивается до 1 МГц. Благодаря функционированию нового контроллера в режиме гибернации удалось сократить потребление до 30 мкА.

Разработка эскиза нового ДПА

Макетирование нового датчика в программе 3D-моделирования позволило наглядно представить его конструкцию и проверить соответствие макета заданным параметрам.

Рисунок 2 – 3D-макет ДПА

Макетирование нового ДПА

После утверждения 3D-макета был подготовлен полномасштабный натурный макет, выполненный при помощи силиконового компаунда «Силагерм 2111». 

Рисунок 3 – Полномасштабный натурный макет ДПА

Упрощение монтажа нового ДПА

Основная сложность при монтаже датчиков первой версии заключается в разметке и сверлении чугунной крышки люка, т.к. эти операции требуют наличия специального оборудования. Для упрощения монтажа датчика было решено использовать магнитное крепление. Надежную фиксацию датчика на крышке обеспечивают два мощных неодимовых магнита, размещённых под термоусаживаемым кожухом датчика (Рисунок 4). Такие магниты имеют высокую сцепную силу (около 5 кг) и широкий температурный диапазон (от -40 до +80 °C).

Рисунок 4 – Новый ДПА. Сторона крепления к крышке колодца

Преимущества нового ДПА

В процессе модернизации были улучшены эксплуатационные характеристики датчика: 

• температурный диапазон – от -40 до +80 °C;
• функционирование при влажности окружающего воздуха до 100%;
• класс защиты от пыли, грязи и атмосферных осадков – IP68.

Рисунок 5 – Новый датчик охраны колодцев ДПА

Главные достоинства нового промышленного дизайна ДПА

• упрощение монтажа на объектах, требующих специальной квалификации монтажных бригад. Соответственно, повышается отказоустойчивость оборудования в процессе эксплуатации, а также минимизируется необходимость обращения к производителю за заменой и дополнительный вызов специалистов на объекты;
• лучшая адаптация ДПА под особенности местного ландшафта благодаря одновременной ориентации в трех плоскостях и фиксации в памяти информации о начальном угле установки;
• возможность установки на крышках кабельной канализации, водоканала и пр. с углом наклона до 20 градусов;
• снижение гигроскопичности изделия, способствующее увеличению периода эксплуатации и сокращению периодичности технического обслуживания.

Создан при поддержке Фонда содействия инновациям.

По всем вопросам Вы можете обращаться по телефону (342) 270-08-05, адресу электронной почты komtex@censor-m.ru или воспользоваться сервисом сайта «Заказать услугу».