PL241717B1 - Aktuator - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest aktuator posiadający mostek H. Charakteryzuje się on tym, że składa się z mikrokontrolera (4) wyposażonego w komunikację bezprzewodową Bluetooth 5, który połączony jest poprzez mostek H (3) z zamontowanym trzpieniem regulacyjnym (1) silnika prądu stałego (2). Do mikrokontrolera (4) podłączona jest antena (9). Do silnika prądu stałego (2) podłączone jest pierwsze źródło zasilania (7). Do mikrokontrolera (4) podłączone jest drugie źródło zasilania (8) Dodatkowo do mikrokontrolera (4) podłączony jest poprzez dekoder (5) do wyświetlacza (6).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest aktuator wykorzystujący standard Bluetooth 5 przeznaczony do bezprzewodowej kontroli systemów komfortu (w tym przypadku ciepła) w inteligentnym budynku.

Wraz z rozwojem automatyki budynkowej stale rośnie zapotrzebowanie na elementy wykonawcze zdolne do regulacji parametrów budynku takich jak np. wentylacja, temperatura czy światło bez udziału człowieka. Obecnie dużo jest na rynku rozwiązań gwarantujących bezprzewodową kontrolą wybranych podsystemów ale bez szczególnych cech wskazujących na uczenie i samoistne dostosowywanie się do przyzwyczajeń użytkownika. Dodatkowo zdecydowana większość urządzeń jest nastawiona na współpracę z jednym określonym protokołem komunikacyjnym, który dodatkowo jest „hermetyczny” i pozwala na ściśle określoną ścieżkę rozbudowy.

Problemem do rozwiązania jest możliwość sterowania inteligentnym budynkiem za pomocą wyspecjalizowanych aktuatorów. Aktuatory te muszą posiadać na tyle podatną na modyfikację strukturę fizyczną i strukturę oprogramowania aby dało się je zintegrować z każdym zastanym w budynku systemem. Jednocześnie w połączeniu z platformą loT zbierającą dane o parametrach środowiskowych budynku (kreowanych przez użytkowników według indywidualnych preferencji) ma przyjmować polecenia z wyuczonej na tej podstawie sieci neuronowej.

Przedmiotem wynalazku jest aktuator posiadający mostek H, jego istotą jest to, że składa się z mikrokontrolera wyposażonego w komunikację bezprzewodową Bluetooth 5, który połączony jest poprzez mostek H z zamontowanym trzpieniem regulacyjnym silnika prądu stałego. Do mikrokontrolera podłączona jest antena. Do silnika prądu stałego podłączone jest pierwsze źródło zasilania, zaś do mikrokontrolera podłączone jest drugie źródło zasilania. Opcjonalnie do mikrokontrolera podłączony jest poprzez dekoder do wyświetlacza.

Korzystnym skutkiem jest to, że aktuator według wynalazku ze względu na swój charakter znajduje on zastosowanie w niemal każdym rodzaju budynku - zabudowania o charakterze mieszkalnym, budynki o charakterze biurowym oraz budynki przemysłowe. Dodatkowo w połączeniu z siecią neuronową wyuczoną behawiorystki użytkowników może przynieść znaczące oszczędności bez pogorszenia warunków pracy wewnątrz obejmowanego obszaru. Wynika to często z przeciwdziałania marnowaniu zasobów przez niedbałość lub nieuwagę użytkowników.

Przedmiotem wynalazku jest układ do bezprzewodowej kontroli systemów komfortu w inteligentnym budynku.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na schematycznym rysunku.

Aktuator do sterowania systemem grzewczym budynku w przykładzie wykonania składa się z mikrokontrolera 4 wyposażonego w komunikację bezprzewodową Bluetooth 5 - nRF52832 firmy Nordic Semiconductor, który nadzoruje pracę silnika prądu stałego 2 z zamontowanym trzpieniem regulacyjnym 1 za pomocą mostka H 3 - A4988SETTR-T firmy Allegro Microsystems. Zaprojektowany aktuator posiada obudowę wyposażoną w gniazdo microUSB. Jako anteny 9 dla układu mikrokontrolera użyto ceramicznej anteny chipowej firmy Johanson Technology pracującej w paśmie 2,4 GHz. Antena 9 połączona jest z mikrokontrolerem 4 za pośrednictwem układu dopasowującego LC. Zasilanie dostarczane jest za pośrednictwem pierwszego źródła zasilania 7 - stabilizatora o napięciu wyjściowym 5 V MIC5504-3.3YM5-T5 firmy Microchip oraz drugiego źródła zasilania 8 - stabilizatora o napięciu wyjściowym 3,3 V - MIC5504-5YM5-T5 firmy Microchip. Dla lepszej wizualizacji nastawy aktuatora dodano wyświetlacz 6 - 7-segmentowy HDSM-283C firmy Broadcom Avago współpracujący z dekoderem BCD 5 na kod wyświetlacz 7-segmentowego - SN74LS247D firmy Texas Instruments.

Aby zwiększyć poziom bezpieczeństwa i zapobiec przekłamaniom co do pozycji trzpienia regulacyjnego 1 zastosowano przetwornik analogowo-cyfrowy, który w sposób ciągły mierzy prąd płynący przez silnik prądu stałego 2. Wykonuje się to za pomocą dedykowanego rezystora pomiarowego znajdującego się wewnątrz mostka H 3. W momencie osiągania przez silnik prądu stałego 2 skrajnych położeń skoki prądowe są rejestrowane i interpretowane. Dzięki temu zabiegowi silnik prądu stałego 2 jest kalibrowany za każdym razem, gdy zostaje odcięty od zasilania aby pracować tylko i wyłącznie w zakresie pracy mechanicznej trzpienia regulacyjnego 1. Do mikrokontrolera podłączono dodatkowo dekoder BCD 5 na kod wskaźnika 7-segmentowego oraz jedną komórkę wyświetlacza 6 7-segmentowego w celu zwiększenia możliwości obserwacji nastawy aktuatora.

Symuluje ona tradycyjne oznaczenia numeryczne spotykane na głowicach manualnych. Jako źródło zasilania może służyć wbudowana bateria lub alternatywnie port microUSB. Ze względu na zróż

PL 241 717 B1 nicowanie elementów odbiorczych energii elektrycznej napięcie jest korygowane przez dwa stabilizatory: pierwsze źródło zasilania 7 o napięciu wyjściowym 5 V służący do zasilania silnika prądu stałego 2 oraz drugie źródło zasilania 8 o napięciu 3,3 V do zasilania układów logicznych. Zastosowanie stabilizatorów gwarantuje także, dodatkową filtrację napięcia zasilania, która w przypadku poprawności działania warstwy radiowej mikrokontrolera 4 jest warunkiem krytycznym. Aktutator komunikuje się z resztą urządzeń za pomocą ceramicznej anteny 9 chipowej.

Działanie aktuatora polega na tym, że do komunikacji z innymi urządzeniami aktuator używa trzech kanałów Bluetooth 5 służących do rozgłaszania małych porcji danych oraz wyszukiwania i rozpoznawania się urządzeń. Są to kanały numer 37 o częstotliwości 2402 MHz, numer 38 o częstotliwości 2426 MHz oraz numer 39 o częstotliwości 2480 MHz. Modulacja wykorzystywana przy transmisji to GFSK, czyli modulacja z kluczowaniem fazy i aproksymacją za pomocą krzywej Gauss’a. W zależności od zapotrzebowania urządzenie może nadawać z maksymalną mocą 2,51 mW co jest równoważnikiem +4 dBm. W idealnych warunkach propagacji fali EM (w dużych otwartych przestrzeniach) moc ta starcza na pokrycie koła o promieniu 30 metrów. W praktyce jednak taki zasięg nie jest wymagany ze względu na obecność bramek dostępowych związanych z daną pulą urządzeń inteligentnych przypisanych do konkretnego pomieszczenia. Dane rozsyłane przez bramki dostępowe za pomocą transmisji bez parowania posiadają identyfikator wskazujący na charakter urządzenia oraz zestaw wartości o ściśle określonych pozycjach, które mogą interesować poszczególne urządzenia. Aktuator w trybie ciągłym skanuje otoczenie w poszukiwaniu przeznaczonych dla niego pakietów. Po stwierdzeniu przez analizator składniowy zgodności ze wzorcem nowa nastawa jest interpretowana i wprowadzana lub odrzucana jeżeli znajduje się poza dostępnym zakresem regulacji.

Sposób zarządzania inteligentnym budynkiem z zastosowaniem aktuatorów według wynalazku polega na tym, że usługa serwerowa wspierana przez sztuczną inteligencję na podstawie wyników otrzymywanych z czujników wysyła nastawę danego aktuatora za pomocą szyny danych Apache Kafka. Sygnał jest następnie odbierany przez sterownik złożony z modułu Bluetooth 5 oraz komputera jednopłytkowego Raspberry Pi. Oba moduły są ze sobą bezpośrednio połączone za pomocą portu szeregowego. Dane otrzymywane przez komputer są podawane modułowi Bluetooth 5, a następnie za pośrednictwem unikalnego komunikatu radiowego przekazywane odpowiedniemu aktuatorowi. Mikrokontroler 4 bezprzewodowy współpracuje z systemem algorytmów opartych o sieci neuronowe w taki sposób aby z każdą otrzymaną informacją (z sensorów) usamodzielniać swoje działanie pod kątem doboru optymalnych ustawień. Dotyczy to zarówno preferencji użytkownika jak i oszczędzania mediów. Protokół Bluetooth 5 używany w urządzeniu jest skonfigurowany tak aby zmaksymalizować możliwości łączenia przedstawionej technologii z rozwiązaniami zastanymi w budynku.

Wykaz oznaczeń:

- trzpień regulacyjny

- silnik prądu stałego

- mostek H

- mikrokontroler bezprzewodowy Bluetooth 5

- dekoder BCD

- wyświetlacz

- pierwsze źródło zasilania

- drugie źródło zasilania

- antena

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Aktuator posiadający mostek H, znamienny tym, że składa się z mikrokontrolera (4) wyposażonego w komunikację bezprzewodową Bluetooth 5, który połączony jest poprzez mostek H (3) z zamontowanym trzpieniem regulacyjnym (1) silnika prądu stałego (2), przy czym do mikrokontrolera (4) podłączona jest antena (9), natomiast do silnika prądu stałego (2) podłączone jest pierwsze źródło zasilania (7), zaś do mikrokontrolera (4) podłączone jest drugie źródło zasilania (8).
2. 2. Aktuator według zastrz. 1, znamienny tym, że do mikrokontrolera (4) podłączony jest poprzez dekoder (5) do wyświetlacza (6).