Радиоизмерительная система ZETSENSOR

Цифровые устройства серии ZETSENSOR — идеальное решение для построения распределенных измерительных сетей и управляющих систем. Широкая номенклатура цифровых датчиков, различные типы управляющих устройств, многофункциональное программное обеспечение ZELAB позволяют найти оптимальное решение практически любой задачи измерения и регулирования. Передача данных по стандартным протоколам и интерфейсам позволяют интегрировать сети ZETSENSOR в сторонние системы.

На рисунке ниже представлена типичная схема измерительной сети ZETSENSOR. Первичные преобразователи подключаются к измерительным модулям непосредственно в местах измерений и уже измерительные модули объединяются в общую сеть по CAN. Передача данных на ПК осуществляется с помощью преобразователя интерфейсов CAN в USB ZET 7174.

Измерительная сеть с подключением по CAN
Измерительная сеть с подключением по CAN

Для случаев, когда необходимо передавать результаты измерений по беспроводному интерфейсу были разработаны универсальные преобразователи интерфейсов CAN в Radio (ZET7172S) и Radio в CAN (ZET7172M), которые позволят без особого труда подключить любой имеющийся CAN датчик (ZET71ХХ) по радио. На рисунке ниже представлена схема беспроводного подключения CAN датчиков.

Измерительная сеть с передачей данных по радиоканалу
Измерительная сеть с передачей данных по радиоканалу

Модули ZET 7172 обладают низким потреблением и работают в диапазоне частот 2.4 ГГц и бывают двух типов. Первый тип это обычные модули ZET 7172, которые имеют радиус действия до 30 метров. Второй тип это усиленные радиомодули ZET 7172-PRO, которые имеют радиус действия до 1.2 км на открытой местности.

Для работы с радиомодулем был выбран режим API команд. Он удобен тем, что обеспечивает режим гарантированной доставки и обеспечивает пакетную передачу данных.

При тестировании радиомодулей ZET7172 было выяснено, что максимальная скорость передачи данных, между двумя модулями, составляет около 6 кбит/сек, при передаче пакетов размером 100 байт. При использовании пакетов меньшей длины, скорость передачи данных ухудшалась. Поэтому для оптимизации скорости передачи данных необходимо было все данные упаковывать в пакеты максимально большой длины (100 байт).

В используемом нами модифицированном протоколе MODBUS на шине CAN существует 3 типа пакетов.

  1. Командный пакет — пакет с MODBUS командой или ответом на MODBUS команду;
  2. Пакет потоковых данных — пакет с потоковыми данными от измерительного модуля, работающего в CAN сети;
  3. Широковещательный пакет — пакет с информацией, которую необходимо знать всем устройствам в CAN сети. А именно, это пакет активности (пакет, говорящий о том, что в данный момент времени конкретное устройство находится в сети) и пакет синхронизации (пакет, благодаря которому все устройства корректируют свою тактовую частоту в соответствии с устройством, являющимся мастером синхронизации в данной CAN сети).

Для оптимизации передачи пакетов первого и второго типа были созданы буферы, которые накапливали данные, и отсылали их по радиоканалу в одном из двух случаев. Первый случай это если накопилось 100 байт, или если на добавление очередного пакета не хватало места в буфере. Второй случай, это когда достаточно долгое время не было новых данных. Второй случай необходим для того, чтобы с преобразователем интерфейсов могли уверенно работать как медленные датчики ~1 Гц, так и быстрые ~800 Гц.

Для оптимизации передачи пакетов третьего типа, был создан специальный пакет, который раз в секунду отсылает пакет со всеми активными нодами в виде битовой макси. Битовая маска состоит из 8 байт. Каждый бит в этой маске отвечает за активность конкретной ноды в сети на данный момент времени. Таким образом, если по радио подключено 8 устройств, нам нужно передать не 8 отдельных пакетов, а всего один.

За счёт этих простых и не сложных действий мы приблизились к максимальной пропускной способности, и получили следующие результаты:

  • частота дискретизации данных 800 Гц при передаче float отсчётов;
  • частота дискретизации данных 1600 Гц при передаче short отсчётов.

Модули ZET7172 имеют 16 диапазонов рабочих частот, и 12 диапазонов для модулей ZET7172-PRO. При работе на разных частотах модули ZET7172 не мешают друг другу. Таким образом, в одном помещении можно использовать 16 пар радиомодулей серии ZET7172 и 12 пар радиомодулей ZET7172-PRO. Данная схема подключения удобна в том случае, когда требуется подключить несколько датчиков с высокой частотой дискретизации.

аспределенная измерительная сеть с передачей данных по радиоканалу
Распределенная измерительная сеть с передачей данных по радиоканалу

Также можно подключить несколько slave радиомодулей к одному master радиомодулю. Естественно, что при такой схеме подключения, максимальная скорость передачи данных от одного slave радиомодуля уменьшается. Данная схема удобна в том случае, если нам нужно создать измерительную систему без проводов, с датчиками расположенными в разных местах и не требующих высокой частоты дискретизации данных.

аспределенная измерительная сеть с передачей данных по радиоканалу
Распределенная измерительная сеть с передачей данных по радиоканалу

Таким образом, было разработано простое и лёгкое решение для создания радиоизмерительной сети. Данные модули уже успешно применяются в разных областях промышленности. Например, была построена радиоизмерительная сеть для измерения ускорения и силы натяжения нити при работе ткацкого станка.

В дальнейшем планируется оптимизировать режим работы slave радиомодулей ZET7172S. А именно добавить автоматический вход модуля в спящий режим при работе с низкочастотными датчиками ~10 Гц. За счёт этого должно увеличиться время работы от аккумулятора для низкочастотных датчиков.