CC BY
1МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА MICRO- AND NANOSYSTEM TECHNOLOGY
Научная статья УДК 621.396.933:527.8 doi:10.24151/1561-5405-2024-29-2-194-202 EDN: LLLMKX
Многофункциональный сенсорный модуль повышенной защищенности со спутниковой навигацией
Л. С. Челышев1'2, С. П. Тимошенков1, Н. И. Плис3, В. О. Орлов4
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
2АО «Завод ПРОТОН», г. Москва, Россия АО «Ангстрем», г. Москва, Россия
4АО «НИИмолекулярной электроники», г. Москва, Россия leonid.chelyshev@live.ru
Аннотация. Мониторинг состояния груза и определение его местоположения в процессе транспортирования - важная задача, так как согласно статистике пропажа грузов в России носит проблемный характер. В работе предложено электронное изделие, способное фиксировать местоположение груза в реальном времени. Рассмотрены аналоги предлагаемого решения. Разработана и изготовлена электронная система на основе инерци-альных МЭМС, блока обработки информации, комплексированная с различными спутниковыми навигационными системами, такими как GPS, ГЛОНАСС, «Бэйдоу». Показано, что предложенная электронная система позволяет определять расположение объекта в пространстве, измерять внешние механические воздействия на объект и передавать их по GSM-каналу. Устройство работает в диапазоне температур от -55 до +60 °C и предназначено для широкого применения на транспорте, для контроля состояния различных перевозимых грузов. Создан опытный образец, автономно передающий показатели груза, такие как местоположение, ускорение, наличие вскрытия, температура внешняя и груза, и способный к подключению внешних датчиков. Проведен анализ существующих решений на рынке и места разработанного изделия среди них. Тестирование подтвердило работоспособность изделия.
Ключевые слова: системы ориентации и навигации, МЭМС, микроакселерометры, микрогироскопы, датчики угловой скорости, GPS, ГЛОНАСС
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям (Договор №192ГССС15-Ь/78668).
© Л. С. Челышев, С. П. Тимошенков, Н. И. Плис, В. О. Орлов, 2024
Для цитирования: Челышев Л. С., Тимошенков С. П., Плис Н. И., Орлов В. О. Многофункциональный сенсорный модуль повышенной защищенности со спутниковой навигацией // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 2. С. 194-202. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-2-194-202. - EDN: LLLMKX.
Original article
Multifunctional sensor module of increased security with satellite navigation
L. S. Chelyshev1'2, S. P. Timoshenkov1, N. I. Plis3, V. O. Orlov4
1National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia
2 "ZavodPROTON" JSC, Moscow, Russia
3 "Angstrem" JSC, Moscow, Russia
4 "Research Institute of Molecular Electronics" JSC, Moscow, Russia leonid.chelyshev@live.ru
Abstract. Cargo status monitoring and determining cargo location during transportation is an important task because statistics indicate that cargo loss in Russia is fraught with problems. In this work, an electronic device is proposed capable of recording cargo location in real time. Analogues of the proposed solution are considered. An electronic system based on inertial MEMS, an information processing unit, integrated with various satellite navigation systems such as GPS, GLONASS, BeiDou, has been developed and manufactured. It was shown that the proposed electronic system allows determining object location in space, measuring external mechanical effects on the object and transmitting them via a GSM channel. The device operates in the temperature range from -55 to +60 °C and is intended for wide use in transport and for monitoring the condition of various cargoes. A prototype was created that autonomously transmits cargo indicators, such as location, acceleration, presence of opening, external and cargo temperature, and is capable of external sensors connection. An analysis of existing solutions on the market and of the developed product's place among them was carried out. Tests have been carried out to prove the functionality of the product.
Keywords: orientation and navigation systems, MEMS, micro-accelerometers, microgyroscopes, angular velocity sensors, GPS, GLONASS
Funding: the work has been supported by the Innovation Promotion Fund (Contract No. 192GSS15-L/78668).
For citation: Chelyshev L. S., Timoshenkov S. P., Plis N. I., Orlov V. O. Multifunctional sensor module of increased security with satellite navigation. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 2, pp. 194-202. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-2-194-202. - EDN: LLLMKX.
Введение. Согласно статистике хищения грузов в России суммарный размер ущерба достигает 100 млн долл. [1], что оказывает негативное влияние не только на локальный, но и на международный бизнес. В связи с этим возникает необходимость в разработке устройства, способного регистрировать свое местоположение на протяжении всего пути следования груза, проводить замеры нескольких параметров, таких как тем-
пература груза и самого прибора, ускорение груза за период пересылки, контур, позволяющий определить вскрытие контейнера. Следует отметить, что большинство существующих на сегодняшний день подобных устройств (не пассивных) не военного назначения имеют диапазон рабочих температур от -40 до +80. Это не позволяет их использовать в условиях низких температур (-50 °C и ниже).
В настоящей работе рассматривается многофункциональный сенсорный модуль с применением МЭМС-датчиков [2], выдерживающий температуру -50 °C и ниже, а также способный точно отслеживать параметры грузовых контейнеров (местоположение, ускорение, удары, температуру, целостность) с регистрацией превышения максимально допустимых параметров и передавать эти данные по GSM-каналу.
Анализ существующих аналогов разрабатываемого многофункционального сенсорного модуля. Проведенный анализ существующих навигационных систем показал следующее. Системы имеют слабую защиту устройства: пластиковый корпус, слабая батарея, маленькая степень защиты от воздействия частиц и воды, невозможность отслеживания его вскрытия [3-5]. Характеристики проанализированных устройств представлены в таблице. Видно, что данные аналоги не учитывают температурных особенности перевозки грузов в зимний период в России (именно на это время приходится большая часть хищений). В связи с этим стоит задача создания максимально энергоэффективного устройства с подогревом. Однако, если устройство будет затрачивать много энергии на собственный подогрев, то встроенный аккумулятор будет не способен долго поддерживать работоспособность системы. Поэтому необходимо создать независимый контур подогрева с предельными характеристиками работы -55 °C. Логика работы такова: при преодолении температурного порога -40 °C и ниже сохранять в устройстве предельно низкую температуру работоспособности системы. Управление контуром должно быть автономным от общей работы системы, так как для экономии энергии микроконтроллер будет находиться в спящем режиме с активированными внешними прерываниями. Ранее для регистрации перемещений груза было создано и протестировано устройство повышенной защищенности от внешних воздействий. Проведенные исследования выявили ряд недостатков, а именно: отсутствие встроенного аккумулятора, слабую защиту от низких температур, аналоговый интерфейс для внешних датчиков, проблемное крепление, слабая проработка вопроса получения ГЛОНАСС-сигнала. Данные недостатки учтены при разработке климатически стойкого многофункционального сенсорного модуля повышенной защищенности со спутниковой навигацией (GPS, ГЛОНАСС, «Бэйдоу»).
Разработка многофункционального сенсорного модуля. Для решения поставленной задачи созданы структурная и макетная схемы печатной платы (рис. 1, а). В основе схемы, помимо схемы контроля температуры, используется микроконтроллер компании ST Microelectronics на базе ядра Cortex-M3, STM32F103C8T6, имеющий отечественный аналог. Контроллер собирает и анализирует поступившие параметры от различных датчиков, таких как аналоговый акселерометр, выбранный с учетом возможной замены на отечественный, датчики температуры и целостности. Датчики температуры подключаются по шине I2C, что дает возможность устанавливать их на большее расстояние относительно прототипа. Контроллер позволяет получать и передавать параметры по шинам данных UART, SPI. В устройстве используется ГЛОНАСС-модуль (либо GPS, Galileo и т. д.), обмен данных с которым реализуется по интерфейсу UART и протоколу NMEA. В начале работы все присоединенные датчики на шину I2C проходят процедуру инициализации, что дает возможность оборудовать
Характеристики навигационных устройств Characteristics of navigation devices
Устройство Наличие других датчиков Напряжение питания, В Напряжение батареи, В Емкость аккумулятора, мА-ч Рабочая температура, °С Степень защиты Масса, г Материал Объем памяти
Отшсотт ОрЦт Акселерометр, датчик топлива 8-65 — 1400, Li-pol От 40 до +85 IP52 150 — —
Отшсотт АСН ЭРА Датчик вскрытия корпуса, акселерометр 8-65 — 1400 От 40 до +85 — — Пластик —
Бортовой терминал КТ-56Ь Акселерометр 10-48 3,7 Не менее 400 От -30 до +70 IP30 Не более 300 Дюралюминий 4 Мбайт
Бортовой терминал КТ- 56ХЬ Акселерометр, микрофон 10-48 3,7 Не менее 700 От -30 до +70 IP30 Не более 300 8 Мбайт
Бортовой терминал КТ- 56ХХЬ Акселерометр, микрофон 10-48 3,7 Не менее 1400 От -30 до +70 IP30 Не более 300 8 Мбайт
ОаШеовку 7х С Акселерометр 9-39 - 600 От -40 до +85 - - - -
ГдеМои М1 - 3,7 3000 От -20 до +70 IPX7 133 Пластик -
ГдеМои М2 Датчик температуры, С-сенсор — 3 * 1500 От -40 до +70 — 116 —
ГдеМои М5 Датчик вскрытия груза — 3 4500 От -20 до +60 — 112 —
ГдеМои М8 Акселерометр - 3,7 5 800 От -20 до +85 1Рх5 227 -
ГдеМои М9 Датчик вскрытия корпуса, акселерометр — 3,7 10 000 От -20 до +70 IPX5 285 64 Мбайт
ГдеМои А8 Акселерометр 10-30 3,7 170 От -25 до +55 - 52 До 32 Гбайт
Мейгаск Т355 - 3,7 7400 От-15 до+65 IP66 322 ABS-пластик 8 Мбайт
Клг^пеес! ТК-20 - 3,7 10 000 От-10 до+55 IPX7 569 - До 32 Гбайт
Примечание: все устройства имеют GPS-трекер; «-» - нет информации.
Рис. 1. Печатная плата (а), внутренняя комплектация (б) и общий вид (в) многофункционального
сенсорного модуля Fig. 1. Printed circuit board (а), internal configuration (b) and general view (c) of a multifunctional sensor module
устройство различными датчиками без изменений программного кода. Информация с датчиков поступает сначала в микроконтроллер, далее необходимая информация перерабатывается и записывается в энергонезависимую флеш-память, откуда быстро передается в управляющее устройство. Также интерфейс UART использует GSM-модуль, передающий все актуальные данные. GSM-модуль способен получать новые настройки, которые будут применены в устройстве, например настройки частоты пробуждения модуля.
Для успешной зарядки устройства поступающее напряжение составляет 6-36 В. Аккумулятор представляет собой батарею емкостью 5000 мА-ч и напряжением 3,8 В, что обеспечивает длительную работу устройства с расходом в активной работе 50 мА (без учета подогрева). Контуры целостности обеспечивают большую трудоемкость сценариев механического взлома устройства без срабатывания датчиков, сигнализирующих об этом. Выбранный корпус защищает устройство от внешних воздействий. Принятые конструкторские решения позволяют эффективно распределять энергию, получать и передавать сигналы, а также обеспечивать максимальную надежность. Работа системы промоделирована и показала отличные результаты. Внутренняя комплектация и общий вид модуля приведены на рис. 1, б, в.
Многофункциональный сенсорный модуль реализован в виде печатной платы 4 класса точности согласно ГОСТ 23.751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции» (или стандарту 6/6mil) на стеклотекстолите FR-4, что обеспечивает достаточно дешевое производство, с покрытием HASL. Общая толщина платы 1,6 мм с напаянными элементами - поверхностным монтажом и выводным монтажом. В устройстве имеются основная плата, которая реализует описанные функции, модуль SIM800L, GSM-приемопередатчик.
Схемы оформлены согласно ГОСТу (для создания конструкторской документации) и ЕСКД, что дает возможность быстро согласовывать документы с заказчиком. Модуль установлен в алюминиевый корпус со степенью защиты IP68. Корпус изготовлен из сплава ADC-10 по стандарту JIS. Данная марка алюминия является аналогом ENAC-AlSi9Cu3(Fe), прочность на растяжение которой составляет 240 МПа, что делает модуль устойчивым к внешним воздействиям.
Для теплоизоляции корпус изнутри покрыт утеплителем из джута. Функция подогрева в рамках устройства осуществляется с помощью резисторов малых сопротивлений, а также проводов высоких сопротивлений.
Тестирование разработанного многофункционального сенсорного модуля. По выполненным тестам превышения температурного режима практически не происходит. Наибольшие температурные всплески (помимо нагревательной цепи) наблюдаются в микроконтроллере, ГЛОНАСС-модуле и стабилизаторе напряжения. Они превышают температурные показатели пространства на 2-3 °С при нормальных температурных условиях. Это дает возможность при предельно низких внешних температурах максимально эффективно расходовать энергию, а при высоких температурах - не перегревать прибор.
Полученные данные позволяют оценить эффективность метода обогрева печатной платы (рис. 2). Из рисунков следует, что нагрев происходит в четырех точках, в которых при комнатной температуре температура многофункционального сенсорного модуля достигает 70-75 °С.
№ | Темп [*С] | Излуч. |Отражтемп [' |
Рис. 2. Температурные распределения на многофункциональном сенсорном модуле: а - с задней стороны без основных компонентов; б - с передней стороны без влияния силовых резисторов; в - с передней стороны под влиянием силовых резисторов; г - с задней стороны после выключения силовых резисторов Fig. 2. Temperature distribution on the multifunctional sensor module: а - from the rear side without main components; в - from the front side without the influence of power resistors; c - from the front side under the influence of power resistors; d - from the rear side after turning off the power resistors
Отметим, что распределение тепла можно увеличить, введя технологические операции по заливке теплопроводным компаундом в местах расположения резисторов. Это позволит передавать тепло на металлизированные полигоны, что, в свою очередь, снизит необходимую для подогрева энергию аккумулятора. Существует проблема передачи температуры модулю 8ГМ800Ь (рис. 2, б, в), обусловленная отсутствием теплопередачи между модулями. Данная проблема решается добавлением дополнительного резистора под модуль и теплопроводящего материала между основным модулем и модулем ОБМ-связи. Результаты проведенных климатических исследований модуля показали его работоспособность при температуре -55 °С и возрастающем при этом потреблении тока до 0,57 А.
На рис. 3 показан процесс охлаждения многофункционального сенсорного модуля и его функционирование в рамках поставленной задачи. Видно, что стабилизация температуры происходит на уровне -29 °С, далее включается цепь подогрева, которая не позволяет температуре опускаться ниже. Потребление возрастает на порядок, однако это обеспечивает стабильную работу модуля. По проведенным расчетам при температуре -75 °С и стабилизации на уровне -40 °С модуль сможет работать гарантированно не менее 10 ч при заряде одной батареи.
Рис. 3. Температурные испытания многофункционального сенсорного модуля: 1 - температура внутри прибора; 2 - выход на рабочую температуру камеры тепла и холода
Fig. 3 Temperature tests of the multifunctional sensor module: 1 - the temperature inside the device;
2 - output to the operating temperature of the heat and cold chamber
Модуль прошел вибрационные испытания, в том числе синусоидальные испытания (50-500 Гц) и одиночный удар (10 g). Модуль успешно справился с нагрузками и по окончании испытаний продолжил работу в штатном режиме.
Заключение. Разработанный многофункциональный сенсорный модуль определения геолокации характеризуется повышенной защищенностью и дополнительными функциями в виде датчиков ускорения, целостности, температуры. Доработанный корпус позволяет устройству эффективно работать. Модуль имеет схемотехнические, кон-
струкционные, элементные, функциональные отличия от аналогов, а именно наличие цепей контроля целостности и температуры. В ходе температурных испытаний установлено, что прибор хорошо справляется с внешними температурными воздействиями. Получен патент на полезную модель разработанного устройства [6].
В дальнейшем планируется доработать программу функционирования, конструкторские решения для повышения энергоэффективности работы устройства в условиях низких температур.
Материалы статьи доложены на Российском форуме «Микроэлектроника 2022» (2-8 октября 2022 г., г. Сочи).
Литература
1. Совместный отчет TT Club, IMPACT и TAPA о криминальных тенденциях в грузоперевозках в России: сайт ATI.STU [Электронный ресурс]. 2020. URL: https://www.ttclub.com/media/files/tt-club/cargo-theft-in-russia/cargo-theft-trends-in-russia-2020-russian.pdf (дата обращения: 20.11.2022).
2. Калинкина М. Е., Пирожникова О. И., Ткалич В. Л., Комарова А. В. Микроэлектромеханические системы и датчики: учеб. пособие. СПб.: Ун-т ИТМО, 2020. 75 с. // Учебные издания ИТМО [Электронный ресурс]. URL: https://books.ifmo.ru/file/pdf/2673.pdf (дата обращения: 22.01.2024).
3. Бром А. Е., Евстифеева Н. В. Разработка логистической поддержки для объектов космической техники на примере сверхмалого космического аппарата «Парус -МГТУ» // Организатор производства. 2014. № 2 (61). С. 90-97. EDN: SJJJZT.
4. Пат. 71489 РФ. Спутниковый навигационный приемник / С. А. Мосиенко, В. Г. Немудров, И. Л. Корнеев, В. П. Польщиков; заявл. 03.12.2007; опубл. 10.03.2008, Бюл. № 7. 15 с. EDN: KOYWBU.
5. Пат. 193444 РФ. Спутниковый маяк / А. А. Головлев; заявл. 14.01.2019; опубл. 29.10.2019, Бюл. № 31. 11 с. EDN: FHYQSN.
6. Пат. RU218350U1 РФ. Многофункциональный сенсорный модуль спутниковой радионавигации / Л. С. Челышев; заявл. 21.11.2022; опубл. 23.05.2023, Бюл. № 15. 8 с. URL: https://patentimages.storage.googleapis.com/22/d3/16/d0fe0994e30e96/RU218350U1.pdf (дата обращения: 25.02.2024)
Статья поступила в редакцию 07.03.2023 г.; одобрена после рецензирования 15.09.2023 г.;
принята к публикации 12.02.2024 г.
Информация об авторах
Челышев Леонид Сергеевич - аспирант Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), начальник отдела разработки систем управления и вычислительных устройств АО «Завод ПРОТОН» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 8), leonid.chelyshev@live.ru
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, директор Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), spt111@mail.ru
Плис Николай Иванович - кандидат технических наук, первый заместитель генерального директора АО «Ангстрем» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 2, стр. 3), plis@angstrem.ru
Орлов Виктор Олегович - ведущий специалист отдела патентно-лицензионной работы и технической литературы АО «НИИ молекулярной электроники» (Россия, 124460, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Академика Валиева, 6, стр. 1), vityahimki@mail.ru
References
1. Trans-Siberian Railway in figures and facts: website ATI.STU. 2020. (In Russian). Available at: https://aif.ru/dontknows/file/transsibirskaya_magistral_v_cifrah_i_faktah (accessed: 20.11.2022).
2. Kalinkina M. E., Pirozhnikova O. I., Tkalich V. L., Komarova A. V. Microelectromechanical systems and sensors, study guide. St. Petersburg, ITMO Univ., 2020. 75 p. (In Russian). Uchebnye izdaniya ITMO. Available at: https://books.ifmo.ru/file/pdf/2673.pdf (accessed: 22.01.2024).
3. Brom A., Evstifeeva N. V. Development of logistics support for space equipment on the base of the "Sail-BMSTU" midget spacecraft. Organizator proizvodstva = Organizer of Production, 2014, no. 2 (61), pp. 90-97. (In Russian). EDN: SJJJZT.
4. Mosienko S. A., Nemudrov V. G., Korneev I. L., Polshchikov V. P. Satellite navigation receiver. Patent 71489 RF, publ. 10.03.2008, Bul. no. 7. 15 p. (In Russian). EDN: KOYWBU.
5. Golovlev A. A. Satellite beacon. Patent 193444 RF, publ. 29.10.2019, Bul. no. 31. 11 p. (In Russian). EDN: FHYQSN.
6. Chelyshev L. S. Multifunctional sensor module for satellite radio navigation. Patent RU218350U1 RF, publ. 23. 05.2023, Bul. no. 15. 8 p. (In Russian). Available at: https://patentimages.storage.googleapis.com/ 22/d3/16/d0fe0994e30e96/RU218350U1.pdf (accessed: 25.02.2024).
The article was submitted 07.03.2023; approved after reviewing 15.09.2023;
accepted for publication 12.02.2024.
Information about the authors
Leonid S. Chelyshev - PhD student, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Head of the Development of Control Systems and Computing Devices Department, "Zavod PROTON" JSC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 8), leonid.chelyshev@live.ru
Sergey P. Timoshenkov - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), spt@miee.ru
Nikolay I. Plis - Cand. Sci. (Eng.), First Deputy General Director, "Angstrem" JSC (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 2, bld. 3), plis@angstrem.ru
Viktor O. Orlov - Leading Specialist Department of the Patent and Licensing Work and Technical Literature, "Research Institute of Molecular Electronics" JSC (Russia, 124460, Moscow, Zelenograd, Akademik Valiev st., 6, bld. 1), vityahimki@mail.ru
