Принцип работы беспроводного емкостного датчика уровня топлива основан на измерении изменения емкости коаксиального конденсатора, образующегося между двумя коаксиальными трубками, которые представляют собой измерительную часть датчика. Отличительной особенностью данного изделия является передача измеренных данных при помощи беспроводного канала Bluetooth с низким энергопотреблением, что обеспечивает простоту установки и высокие эксплуатационные характеристики датчика.
Ключевые слова: ёмкостной датчик уровня топлива, Bluetooth low energy (BLE), nrf52832, IOT.
Для осуществления мониторинга расхода топлива на автотракторной технике, соответственно контроля исправности агрегатов, и защиты от сливов используются высокоточные датчики уровня топлива, которые передают показания на Glonass трекер, а затем на сервера, с которых осуществляется мониторинг.
Обычно коммуникация Glonass трекера и датчика уровня топлива (ДУТ) осуществляется посредством проводов по интерфейсу RS-485. Соответственно возникают проблемы прокладки проводов, так как Glonass трекера устанавливаются в кабину, а ДУТ находится снаружи на достаточном удалении. При установке обычного ДУТ приходится вносить изменения в конструкцию отдельных узлов, сверлить отверстия для прокладки проводов и крепления хомутов.
Как решение вышеперечисленных проблем может применяться беспроводной датчик уровня топлива, имеющий следующие преимущества:
1. Не требует прокладки проводов при установке и внесения изменений в конструкцию транспортного средства.
2. Простота установки, скорость развертывания системы — концепция PLUG AND PLAY.
3. Совместимость с текущим оборудованием, прямая интеграция с трекерами, имеющими BLE, либо при помощи базовой станции.
4. Возможность настройки устройства с помощью мобильных устройств, имеющих на борту BLE — настройка и калибровка упрощается.
Принцип работы
Принцип работы емкостного датчика уровня топлива состоит в косвенном измерении изменения емкости коаксиального конденсатора, образующегося между центральной трубкой-электродом и внешней трубкой измерителя.
В результате изменения уровня топлива в баке изменяется и уровень топлива-диэлектрика между электродами (трубками) устройства.
Рис.1. Принцип работы емкостного измерителя уровня
Измерительные трубки подключены к таймеру 555 серии в частотозадающей цепочке и выполняют роль конденсатора задающего частоту сигнала.
Согласно документации на микросхему частота мультивибратора задаётся как:
то есть уровень топлива прямо пропорционально связан с периодом выходного сигнала с мультивибратора [1].
Если произвести калибровки полного и пустого бака и ввести коэффициенты температурной зависимости расширения топлива в баке, то можно получить уровень топлива в находящийся в баке.
Для передачи показаний от датчика к приёмнику (смартфону, навигационному терминалу) применяется технология Bluetooth low energy, выпущенная в декабре 2009 года версия спецификация ядра беспроводной технологии Bluetooth. наиболее существенным достоинством которой является сверхмалое энергопотребление, среднее энергопотребление и энергопотребление в режиме простоя [3].
Для передачи данных между устройствами в технологии BLE применяется модель сервисов и характеристик.
Рис. 2. Характеристики и сервисы BLE устройств
Для осуществления передачи данных между устройствами был разработан протокол обмена:
Обмен происходит при помощи BLE -сервиса, включающего две характеристики:
Service UUID: 6E400001-B5A3-F393-E0A9-XXXXXXXXXXXX (little endian)
—идентификатор сервиса, при помощи которого осуществляется обмен данными между управляющим и оконечным устройством. Передача данных от управляющего к оконечному устройству осуществляется путем записи в идентификатор характеристики для передачи данных управляющим устройством (Tx characteristics UUID).
Прием данных от оконечного устройства осуществляется путем считывания идентификатора характеристики для приема данных управляющим устройством (Rx characteristics UUID):
− Rx characteristics UUID: 6E400003-B5A3-F393-E0A9-XXXXXXXXXXXX (little endian)- идентификатор характеристики для приёма данных управляющим устройством,
− Tx characteristics UUID: 6E400002-B5A3-F393-E0A9-XXXXXXXXXXXX (little endian) — идентификатор характеристики для передачи данных управляющим устройством.
Все сообщения внутри протокола передаются в виде следующей структуры:
Таблица 1
Структура сообщения протокола
|
Тип поля |
Пример |
|
Команда / Ответ на команду |
Например, SP –установить пароль Ответом на команду будет (в случае успеха) APO или APE (в случае неудачи) |
|
разделитель полей |
запятая |
|
параметр1 |
PW:1:123456 –старый пароль, необходим для установки нового |
|
разделитель полей |
запятая |
|
параметр2 (если необходимо) |
PN:1:5555 –новый пароль. |
|
разделитель полей |
запятая |
|
………………… |
………………… |
|
конец сообщения |
символ конца строки (\r) |
Итоговое сообщение:
SP,PW:1:123456,PN:1:5555\r –установить новый пароль 5555, при условии что старый пароль был 123456.
Аппаратная часть
Аппаратная часть устройства реализована на основе системы на кристалле nRF52832 с поддержкой протоколов Bluetooth Smart, ANT и проприетарных стеков собственной разработки пользователя в частотном диапазоне 2.4GHz. nRF52832 построен на 32-разрядном процессорном ядре ARM Cortex 4 с 512kB Flash и 64kB RAM памяти [2].
Для измерения емкости между коаксиальных трубок, как уже говорилось ранее, была применена микросхема 555 серии включенная как мультивибратор. Выход мультивибратора подключен ко входу nRF52832, который работает в режиме счетчика импульсов. По прерыванию временного таймера осуществляется отсчёт количества импульсов, поступивших на счетчик импульсов мультивибратора. Для питания датчика используется литий тионил-хлоридная батарея емкостью 2.6 а*ч, что обеспечивает автономный непрерывный режим работы более чем 5 лет. Это возможно благодаря тому, что большее время жизни устройство проводит в режиме сна и потребляет ток единицы микроампер.
Заключение
В результате выполненной работы была достигнута цель по разработке беспроводного емкостного датчика уровня топлива по технологии Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE). Данный датчик на момент разработки не имел аналогов среди выпускаемо серийно датчиков уровня топлива и благодаря беспроводной технологии Bluetooth имеет высокое конкурентное преимущество.
В данный момент датчик находится в стадии мелкосерийного производства и на него оформлена соответствующая конструкторская документация.
Литература:
1. Документация на микросхему LMC555 // Texas Instruments. URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmc555.pdf (дата обращения: 25.02.2019).
2. Документация на микросхему nRF52832 // Nordic Semiconductors. URL: http://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nRF52832_PS_v1.0.pdf (дата обращения: 25.02.2019).
3. Bluetooth с низким энергопотреблением // Wikipedia. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_с_низким_энергопотреблением (дата обращения: 25.02.2019).
