Беспроводная технология компании Nanotron для мониторинга мобильных объектов в шахтах

Томас Фёрсте, Ph.D., вице-президент по продажам и маркетингу Nanotron Technologies GmbH (Германия);

Татьяна Кривченко, к.т.н., начальник отдела беспроводных технологий ООО «ЭФО»

Наблюдение в реальном масштабе времени за людьми и машинами в шахтах помогает повысить безопасность людей и может способствовать оптимизации перевозок в длинных туннелях. Эта статья знакомит читателей с беспроводной встраиваемой платформой компании nanotron Technologies GmbH для мониторинга мобильных объектов без использования спутниковых систем.

Наблюдение в реальном масштабе времени за людьми и машинами в шахтах помогает повысить безопасность людей и может способствовать оптимизации перевозок в длинных туннелях. Эта статья знакомит читателей с беспроводной встраиваемой платформой компании Nanotron Technologies GmbH для мониторинга мобильных объектов без использования спутниковых систем.

Относительные расстояния и абсолютные координаты

Традиционные спутниковые системы навигации не доступны в шахтах. Поэтому требуются альтернативные методы для определения координат объектов. Можно выделить системы локализации, контролирующие только относительные расстояния между объектами, и системы, в которых необходимо знание абсолютных координат.

Например, для быстрого определения местоположения шахтеров в случае аварии потребуется знание абсолютных координат. Системы предотвращения столкновений, могут использовать только результаты измерения относительных расстояний.

На базе приёмопередатчиков, обладающих функцией измерения расстояний, могут быть построены активные радиочастотные метки, которые вместе с идентификатором движущегося объекта будут передавать относительное расстояние от него до контрольной точки. Такие активные метки могут позволить организовать работу светофоров на перекрестках по требованию, а также автоматизировать работу шлагбаумов, что в обоих случаях приведет к сокращению простоев транспорта [1].

Компания Nanotron Technolgies производит компоненты для определения относительных расстояний и абсолютных координат, а также для создания смешанных систем.

Платформа swarm контроля относительных расстояний

В системе swarm (в переводе с англ. – рой) компании Nanotron Technologies все узлы могут свободно перемещаться и измерять относительные расстояния между собой (рис. 1). Узлы определяют расстояния до своих соседей путем обмена пакетами с ними и измерения времени распространения радиосигналов, скорость которых известна и равна скорости света. При этом радиоузлы автономны и никакая дополнительная инфраструктура не требуется.

Топология системы swarm измерения относительных расстояний в группе

Топология системы swarm измерения относительных расстояний в группе

Электронные радиоузлы, называемые метками, прикрепляются к объектам, за которыми осуществляется наблюдение – людям, транспортным средствам, ценным грузам. Для построения радиометки компания Nanotron предлагает радимодуль swarm Bee LE, представленный на рис. 2. Основные составляющие модуля – приёмопередатчик (трансивер) nanoLOC и микроконтроллер, реализующий программный API-интерфейс с внешним пользовательским хостпроцессором [2].

Рис. 2 Радиомодуль swarm Bee LE

Рис. 2 Радиомодуль swarm Bee LE

Приёмопередатчик nanoLOC компании Nanotron Technologies способен определять время поступления радиосигнала с наносекундной точностью, что позволило бы в идеальных условиях измерять расстояния по времени распространения радиосигнала с погрешностью, не превышающей 30 см [4]. В реальных условиях дополнительную погрешность вносит многолучевое распространение радиосигналов. Результаты практических тестов показали, что с доверительной вероятностью 95% погрешность измерения координат внутри шахты при помощи технологии Nanotron не превышала 3 м.

В сети swarm возможно выполнение следующих основных типов операций:

- идентификация узлов;

- измерение расстояния;

- передача данных;

- прослушивание сети.

Для обеспечения возможности питания носимых меток от батарейного источника модули swarm могут периодически переходить в энергосберегающий режим, что позволяет значительно снизить среднее энергопотребление.

Система фиксированной локализации для определения абсолютных координат объектов

Добавление к системе swarm внешней инфраструктуры в виде анкеров с известными координатами, магистрали передачи данных Ethernet и сервера позволяет на центральном вычислительном узле системы локализации определять абсолютные координаты мобильных объектов и наблюдать за их изменениями в реальном масштабе времени (рис. 3).

Рис. 3 Система для определения абсолютных координат мобильных объектов

Рис. 3 Система для определения абсолютных координат мобильных объектов

Поскольку анкеры крепятся неподвижно, их объединяют при помощи стандартной проводной локальной сети, обеспечивающей быстрый канал передачи данных между анкерами и сервером локализации. Проводная магистраль передачи данных с высокой пропускной способностью снижает загрузку эфира, что позволяет увеличивать число одновременно обслуживаемых беспроводных мобильных меток. Программное обеспечение на сервере состоит из двух частей – локализационной программы nanoLES, поставляемой компанией Nanotron Technologies, и конечным приложением пользователя. Серверная программа nanoLES принимает по локальной сети первичную информацию от анкеров и выполняет вычисление координат. Приложение пользователя на сервере получает значения координат от программы nanоLES через порт TCP, реализует необходимый для задачи графический интерфейс или преобразует информацию о координатах в события, которые интересуют пользователя. Например, тот факт, что рабочий, приближается к воротам, может вызвать событие – открытие ворот в случае, если данный рабочий имеет право на проход. В пакет программного обеспечения Nanotron Technologies входит демонстрационная версия конечного приложения, позволяющая наблюдать за перемещением мобильных меток в графической форме.

Мобильные радиоузлы, называемые метками, так же, как и в системе измерения относительных расстояний, прикрепляются к объектам, за которыми осуществляется наблюдение. Мобильные метки фиксированной системы локализации могут быть построены на базе тех же модулей swarm Bee LE.

Кроме встраиваемых радиомодулей, компания Nanotron Technologies предлагает ряд готовых мобильных меток в корпусе (рис. 4).

Рис. 4 Варианты исполнения мобильных меток системы фиксированной локализации:

Рис. 3 Система для определения абсолютных координат мобильных объектов

а) nanoTAG для персонала

054 4

б) nanoTAG RX для транспортных средств

054 4

в) nanoTAG LP для транспортных средств

Метки nanoTAG, разработанные для системы фиксированной локализации, представлены на рис. 4а. Они имеют перезаряжаемый аккумулятор и датчик движения. Это позволяет меткам оптимизировать использование энергии путем изменения частоты широковещательных рассылок в зависимости от скорости перемещения.

Метки nanoTAG RX (рис. 4б) имеют ударопрочное и влагозащищенное исполнение для использования на транспортных средствах и в опасных зонах. Они имеют выводы для подключения внешнего источника питания. Метки nanoTAG RX выполняют все функции стандартных меток фиксированной системы локализации и дополнительно постоянно посылают данные датчика ускорения в пакетах, предназначенных для локализационного сервера, что дает возможность применять дополнительные методы фильтрации при определении координат.

Метки nanoTAG LP (рис. 4в) имеют такую же функциональность, что и nanoTAG RX, но не требуют подключения внешнего источника питания, т.к содержат встроенную батарею питания.

Для реализации фиксированных узлов компания Nanotron Technologies предлагает готовые анкеры в корпусе и два варианта исполнения встраиваемых анкеров (рис. 5). Все анкеры поставляются со встроенным сетевым интерфейсом для автоматического обмена пакетами по локальной проводной сети.

Рис. 5 Варианты исполнения анкеров:

054 6

а) nanoANQ;

054 7

б) nanoANQ EM;

054 5

в) nanoANQ XT

Встраиваемый модуль nanoANQ (рис. 5a) представляет собой анкер, который имеет физический порт Ethernet. Для присоединения внешних антенн предназначаются два разъема SMA. Таким образом, имеется возможность использовать антенны, направленные в противоположные стороны от анкера вдоль туннеля.

Встраиваемый анкер nanoANQ EM (рис. 5б) имеет более компактное исполнение и меньшую стоимость[3]. При этом он может содержать дополнительную буферную память для временного хранения данных на анкере в случае нарушения коммуникационной инфраструктуры, например, в результате аварии.

Анкер, изображенный на рис.5в, поставляется в корпусе и имеет влагозащищенное исполнение IP65, встроенную антенну и блок питания от сети Ethernet.

Планирование фиксированной системы мониторинга

Системные интеграторы используют встраиваемую локализационную платформу Nanotron для построения законченной охранной системы или системы мониторинга в шахте. Процесс интеграции системы начинается с ее планирования, разработки программного обеспечения верхнего уровня, включает в себя инсталляцию системы на объекте и дальнейшее сопровождение системы. Компания Nanotron Technolgies предоставляет примеры программного обеспечения верхнего уровня и аппаратные средства для помощи инсталляторам.

При планировании фиксированной системы мониторинга необходимо учитывать длину туннеля и необходимое максимальное количество меток, частоту обновления координат, а также детали производственного процесса, во время которого происходит перемещение наблюдаемых объектов.

Конфигурация шахты и коммуникационная инфраструктура, которая уже может существовать (или не существовать) в шахте определяет разбивку системы мониторинга на отдельные секции.

Плотность людей в различных сценариях обычно определяет максимально необходимую пропускную способность системы, в то время как полное количество работающих в шахте людей позволяет вычислить общее количество требуемых в системе меток. Ожидаемое время работы меток без смены батарей определяет тип используемой метки.

Важный параметр, влияющим на стоимость системы в целом – расстояние между анкерами. Основными факторами, которые влияют на максимальное расстояние между анкерами, являются ширина и высота туннеля. Это происходит из-за того, что радиосигнал распространяется в форме эллиптического луча и энергия сигнала поглощается тем больше, чем ближе расположены стены туннеля. Также важный фактор – выбор антенны. Патч-антенны и директорные антенны создают узкие направленные пучки, концентрирующие энергию в одном или двух заданных направлениях.

После установки анкеров не требуется никакой калибровки. В фиксированной системе локализации Nanotron aнкеры «умеют» измерять расстояния между собой. Это очень важно для выполнения регулярных проверок исправности инфраструктуры, в частности, определения анкеров, положение которых изменилось и определения их нового местоположения.

Аналогично могут быть идентифицированы и заменены анкеры, у которых были повреждены антенны, например, проходящими рядом транспортными средствами.

Тесты, проведенные инженерами Nanotron Technologies в шахтах, показали, что при стандартной длительности посылки 1 мкс даже в узких туннелях шириной 2,6 м анкеры могли работать на расстояниях 450–500 м со стандартными патчантеннами.

Заключение

Технология nanoron Technolgies представляет собой гибкую встраиваемую платформу беспроводной локализации для построения разнообразных систем мониторинга и автоматизации в условиях отсутствия навигационных спутников. Локализационная платформа Nanotron Technolgies позволяет определять как абсолютные координаты, так и относительные расстояния. Точность и быстродействие технологии позволяют осуществлять мониторинг объектов в режиме реального времени. Одновременно имеется возможность сохранения данных для их последующего анализа.

Задачей системных интеграторов, которые используют технологию Nanotron для создания законченного проекта, является планирование системы в целом, выбор меток и анкеров, интеграция системы с оборудованием шахты, а также разработка программного обеспечения верхнего уровня на сервере и, возможно, доработка программного обеспечения мобильных меток в соответствии с требованиями технического задания.

Использование систем мониторинга мобильных объектов в шахтах вместе с решением основной задачи повышения уровня безопасности могут также способствовать оптимизации производственных процессов.

Nanotron Technologies

www.nanotron.com

Источники информации:

1. Nanotron's embedded location platform for surface and underground mines. 2014 White Paper on Mine Safety from Nanotron Technologies GmbH.

2. Swarm bee Data Sheet, ver. 1.0

3. NanoANQ Embedded RTLS Anchor Module - Data Sheet 1.3

4. Татьяна Кривченко. Программно-аппаратные методы измерения расстояния по времени распространения радиосигнала при помощи приемопередатчика nanoLOC // Беспроводные технологии – №3/2012 – с. 48–53.

Ключевые слова: nanotron, шахтах, gmbh, technologies, мобильных, объектов, компания, мониторинг

Журнал "Горная Промышленность" №5 (117) 2014, стр.54