close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0E2F82F041

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Ку Тхань Фонг
РАЗРАБОТКА БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ
МОНИТОРИНГА ТОКСИЧНЫХ И ГОРЮЧИХ ГАЗОВ В ВОЗДУШНОЙ
СРЕДЕ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Специальность 05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2017
Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника, телекоммуникации и
нанотехнологии»
в
образовательном
федеральном
учреждении
государственном
высшего
образования
бюджетном
«Московский
авиационный институт (национальный исследовательский университет)».
Научный
доктор технических наук, профессор
руководитель:
Баранов Александр Михайлович
Официальные
Васильев Алексей Андреевич, доктор технических наук,
оппоненты:
ведущий научный сотрудник, Курчатовский комплекс
физико-химических
технологий,
НИЦ
«Курчатовский
институт».
Карелин Алексей Павлович, кандидат технических наук,
инженер-электроник, Акционерное общество "научнопроизводственное объединение "СПАРК".
Ведущая
Национальный исследовательский ядерный университет
организация:
―МИФИ‖
Защита состоится « 21 » сентября 2017 года в 16 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.134.04 в Национальном исследовательском
университете «Московский институт электронной техники» по адресу:
124498, г. Москва, г. Зеленоград, площадь Шокина, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте
Национального исследовательского университета «Московский институт
электронной техники» http://www.miet.ru
Автореферат разослан « ___ » .................. 2017 г.
Ученый секретарь
диссертационного
совета Д 212.134.04,
д. т. н., проф.
Шерченков Алексей Анатольевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. На территории России находятся
более ста тысяч экологически опасных объектов, а также сотни тысяч
километров нефтегазовых трубопроводов. Год от года наблюдается рост
числа людей работающих в загрязненной атмосфере, растет насыщенность
территории России промышленными объектами, использующими токсичные,
горючие
и
взрывоопасные
вещества.
Таким
образом,
разработка
современных методов и приборов для контроля природной среды, в
частности, концентрации в воздухе горючих и токсичных газов и
предупреждении о превышении предельно допустимых концентраций (ПДК)
токсичных газов и нижнего концентрационного порога распространения
(НКПР)
горючих
газов
на
промышленных
предприятиях,
является
чрезвычайно актуальной темой исследований.
Мировой тенденцией, направленной на решение проблем мониторинга
воздушной среды на больших площадях, связанных с утечками горючих и
токсичных газов, стала разработка так называемых сенсорных сетей
различного масштаба, которые собирают, анализируют и принимают
решения
по
управлению
исполнительными
устройствами
для
предотвращения чрезвычайных ситуаций и оповещению соответствующих
служб при превышении ПДК токсичных газов и НКПР горючих газов.
В зависимости от способа передачи данных от сенсоров к устройствам
приема данных выделяют проводные и беспроводные сенсорные сети.
Беспроводные сенсорные сети состоят из беспроводных датчиков, каждый из
которых содержит процессор, память, аналого-цифровые и цифроаналоговые
преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и
измерительные сенсоры.
Использование беспроводных сенсорных сетей для мониторинга и
предотвращения чрезвычайных ситуаций наиболее перспективно (с точки
зрения экономической эффективности, технологичности их развертывания,
областей эксплуатации) с одновременным отказом от использования сетевого
3
электрического питания.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время для
мониторинга концентрации токсичных и горючих газов и предотвращения
чрезвычайных ситуаций, связанных с превышением ПДК и НКПР,
используются
проводные
системы
газового
мониторинга,
способные
контролировать производственную территорию крупного предприятия путем
советующего расположения датчиков. Недостатком данных систем является
их зависимость от систем электроснабжения и кабельного телеизмерения,
что сильно усложнят процесс их развертывания. Кроме того, это
ограничивает применения проводных систем мониторинга состава воздуха, в
частности, в местах с отсутствующим сетевым электрическим питанием.
Преодоление существующих ограничений возможно за счет создания
автономных беспроводных систем непрерывного мониторинга утечек
токсичных и горючих газов, обеспечивающих измерения состава воздуха на
территории промышленных предприятий, рабочих зон и промышленных
территориях.
Подобные беспроводные сенсорные системы для контроля
параметров окружающей, сочетающие в себе функции измерения газового
состава воздуха, беспроводной передачи данных и автономного питания
отсутствую в России и в мире.
Целью работы является разработка и исследование параметров
автономных беспроводных газовых датчиков и беспроводной сенсорной
системы на основе стандарта IEEE 802.15.4. ZigBee для мониторинга
токсичных и горючих газов в воздухе.
Основные решенные задачи:
- разработка
конструктивно-технологических
принципов
создания
энергонезависимой цифровой платформы беспроводного газового датчика
для беспроводной сенсорной сети для мониторинга утечек горючих и
токсичных газов в воздухе, обеспечивающей интеграцию каталитических,
электрохимических и полупроводниковых газовых сенсоров с аналоговым и
цифровым выходом и беспроводную передачу данных по сетям стандарта
4
Zigbee;
- разработка энергоэффективных алгоритмов проведения измерений
утечек горючих газов (в частности, метана) и токсичных газов (таких как,
угарный газ СО, сероводород H2S и двуокись азота NO2) с последующей
передачей данных измерений по сетям стандарта Zigbee;
- разработка
системы
визуализации
данных,
получаемых
от
беспроводных датчиков газа, с доступом через стандарт передачи данных
Zigbee и беспроводный Интернет;
- создание и исследование параметров экспериментального образца
беспроводной сенсорной сети для мониторинга утечек токсичных и горючих
газов и контроля воздушной среды на территориях промышленных
предприятий.
Научная новизна работы:
1.
Разработаны
конструктивно-технологические
принципы
создания беспроводного газового датчика, обеспечивающего интеграцию
сенсоров с аналоговым и цифровым выходом, беспроводную передачу
данных мониторинга по беспроводным сенсорным сетям и автономное
питание.
2.
измерения
Предложен энергоэффективный алгоритм работы и проведения
беспроводным
газовым
датчиком,
уменьшающий
энергопотребление датчика и обеспечивающий долговременную автономную
работу датчиков на территориях промышленных предприятий с отсутствием
сетевого питания и незамедлительную реакцию системы беспроводного
мониторинга при детектировании утечек токсичных и горючих газов.
3.
Исследование параметров радиоканала в процессе передачи
данных от беспроводного газового датчика к системе визуализации данных
показало возможность обеспечения мониторинга чрезвычайных ситуаций на
больших пощадах.
4.
Показана возможность создания на основе
автономных
беспроводных газовых датчиков самоорганизующихся и энергонезависимых
5
беспроводных сенсорных сетей ("умная пыль") для систем промышленной
безопасности и экологического мониторинга.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость заключается в том, что полученные выводы
дополняют
территориях,
методологию
где
распределенных
измерений
отсутствует
сенсорных
состава
сетевое
сетей.
На
воздуха
питание,
основе
с
на
больших
использованием
расчета
параметров
энергопотребления энергонезависимой цифровой платформы определены
режимы работы, обеспечивающее среднее энергопотребление на уровне 1
мВт. Разработаны энергоэффективные алгоритмы проведения измерений
газового состава воздуха, автоматического информирования и управления
исполнительными устройствами и передачи данных по сетям стандарта
Zigbee.
Разработанная
технических
беспроводная
средств
сенсорная
технологического
сеть
расширяет
мониторинга
газовой
арсенал
среды,
позволяет измерять концентрацию токсичных и горючих газов в воздухе и
обеспечивать
безопасность
техногенных
объектов
и
предотвращать
возникновения аварийных ситуаций при превышении ПДК токсичных газов
или
НКПР
горючих
газов
за
счет
выдачи
команд
управления
исполнительным устройствам.
Результаты мониторинга утечек горючих и токсичных газов позволяют
создать базу данных для оценки качества воздушной среды в течение
длительного времени в регионе развертывания беспроводной сенсорной сети.
Это, в свою очередь, позволит принимать обоснованные инженерные и
управленческие решения по защите людей и материальных ценностей на
стадии предшествующей чрезвычайной ситуаций, предотвращать ЧС, а
также прогнозировать масштабы и последствия чрезвычайных ситуаций.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития
научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме
6
«Исследование и разработка сенсорных узлов и универсальной цифровой
платформы для построения самоорганизующихся и энергонезависимых
беспроводных сенсорных сетей ("умная пыль") для систем промышленной
безопасности и экологического мониторинга». Индустриальным партнером в
данном проекте была компания в ООО «Научно - технический центр
измерительных газочувствительных датчиков» им. Е.Ф. Карпова.
Методология и методы исследований. Методологическую основу
исследования составили данные по известным способам и методикам
мониторинга токсичных и горючих газов в воздухе, по разработке
селективных электрохимических, каталитических и полупроводниковых
газовых сенсоров, а также передаче данных по радиоканалу.
Информационные источники научного исследования:
- научные источники в виде данных из журнальных статей, материалов
научно-технических конференций;
- официальные документы: ГОСТ;
- результатов проведенных экспериментов.
Для решения диссертаций задач использовались: экспериментальные
исследования в лабораторных условиях с применением разных концентраций
угарного газа, сероводорода, оксида азота и метана; программирование
управления режимов работ беспроводной сенсорной сети на ЭВМ.
На защиту выносятся:
1.
Расширение диапазона измеряемых компонентов и технических
возможностей для контроля качества воздушной среды обеспечивается
развертыванием беспроводной сенсорной сети для мониторинга газового
состава
воздуха,
включающей
беспроводные
газовые
датчики,
исполнительные устройства, маршрутизаторы и координатор сенсорной сети
стандарта Zigbee.
2.
Конструктивно-технологические
решения
по
созданию
энергонезависимой цифровой платформы беспроводного газового датчика,
обеспечивающей измерение концентрации горючих и токсичных газов в
7
воздухе, передачу данных измерений по беспроводным сенсорным сетям и
долговременное автономное питание.
3.
Энергоэффективные
алгоритмы
проведения
измерений
токсичных и горючих газов, обеспечивающие долговременную автономную
работу беспроводных газовых датчиков.
4.
Результаты
исследования
параметров
и
характеристик
беспроводного газового датчика и беспроводной сенсорной сети для
мониторинга концентрации токсичных и горючих газов в воздухе.
Достоверность
и
обуславливается
апробация
использованием
автоматизированного
проектирования
результатов.
Достоверность
апробированных
систем
радиоэлектронных
систем,
государственных методик измерения газового состава и беспроводных
стандартов передачи данных.
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались
на
Международной
Молодѐжной
Конференции
«XL
Гагаринские Чтения»; Международной Молодѐжной Конференции «XLII
Гагаринские
Чтения»;
1st
International
Telecommunication
Conference
"Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems and Technologies".
Личный вклад автора.
Соискателем:
- разработаны конструктивно-технологические принципы создания
беспроводной сенсорной сети для мониторинга газового состава природной
среды;
- разработаны конструктивно-технологические принципы создания
энергонезависимой цифровой платформы беспроводного газового датчика,
обеспечивающей интеграцию газовых сенсоров с аналоговым и цифровым
выходом;
- разработаны энергоэффективный алгоритм проведения измерений
утечек горючих газов и алгоритмы передачи полученных данных по
беспроводным сенсорным сетям стандарта Zigbee;
8
- предложен вариант создания беспроводной сенсорной сети для
мониторинга утечек токсичных и горючих газов;
-
исследованы
параметры
беспроводной
сенсорной
сети
для
мониторинга утечек токсичных и горючих газов на базе ООО «Научно технический центр измерительных газочувствительных датчиков» им. Е.Ф.
Карпова.
Внедрение результатов исследования. Результаты кандидатской
диссертации использованы в учебном процессе «Московский авиационный
институт (национальный исследовательский университет)» в курсе лекций
«Цифровые устройства РЭС».
Разработан
беспроводного
и
изготовлен
мониторинга
экспериментальный
утечек
токсичных
и
образец
системы
горючих
газов и
предотвращения чрезвычайных ситуаций. Результаты работы внедрены в
ООО «Научно - технический центр измерительных газочувствительных
датчиков» им. Е.Ф. Карпова.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 8 научных
работ,
из
них
4
статьи
в
журналах,
рекомендованных
Высшей
аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской
Федерации и 4 доклады в сборниках тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырѐх глав и заключения, изложенных на 115 страницах
машинописного текста, списка литературы из 92 наименований и содержит
57 рисунка и 10 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введение обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цель работы и основные задачи исследований, показана
научная новизна работы и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе проведен анализ факторов воздействия промышленных
предприятий на окружающую среду и рисков для здоровья, связанных с
загрязнением воздуха, в частности, при превышении ПДК и возможностью
9
возникновения пожаров и взрывов при превышении НКПР для горючих
газов. Основное внимание уделено химическому загрязнению воздуха
горючими и токсичными газами, выдающимися в технологических процессах
на
предприятиях
авиакосмической
и
нефтегазовой
отраслей
промышленности.
Показано, что выбросы промышленных предприятий являются главным
источником
загрязнения
атмосферного
воздуха.
Согласно
данным
государственного доклада Минприроды о состоянии окружающей среды РФ
в 2014 году (последний доступный доклад), на их долю приходится 56% всех
загрязнений, или 17451,9 тыс. тонн вредных выбросов. Вместе с выбросами
автотранспорта на каждого жителя нашей страны в 2014 году пришелся 221
кг загрязняющих веществ. При этом треть всех промышленных выбросов –
это выбросы обрабатывающих производств, на втором месте – добыча
полезных ископаемых (28%), на третьем – производство и распределение
электроэнергии, газа и воды (22%).
Поскольку часто промышленные предприятия расположены вблизи или
на территориях крупных населенных пунктов, то задача мониторинга утечек
горючих и токсичных газов с целью контроля природной среды, является
важной и актуальной. В таблице 1 приведены ПДК некоторых вредных
компонентов, которые могут содержаться в воздухе на территориях
промышленных предприятий. В настоящее время в промышленных
предприятиях нормы предельно допустимых выбросов устанавливаются для
следующих четырех компонентов: окиси углерода (CO), несгоревших
углеводородов (СnHm), окислов азота (NОx) и частиц сажи.
Для выполнения поставленных задач был выполнен анализ параметров
газовых сенсоров с точки зрения их использования в автономных
беспроводных газовых датчиках, проведен анализ известных беспроводных
сенсорных сетей для мониторинга утечек токсичных и горючих газов и
контроля качества воздушной среды, показаны основные тенденция в
разработке беспроводных сенсорных сетей и обсуждены перспективы их
10
использования для контроля качества воздушной среды на территории
промышленных предприятий.
Таблица 1 - значения ПДК вредных компонентов.
ПДК, мг/м3
Максимальная разовая
Среднесуточная
3
1
0,085
0,085
0,5
0,05
0,035
0,03
300
-
Компоненты
Окись углерода СО
Двуокись азота NO2
Сернистый ангидрид SO2
Формальдегид HCHO
Бензин (пары)
Показано, что в настоящее время для детектирования токсичных и
горючих газов широкое распространение энергопотреблением получили
электрохимические, полупроводниковые и оптические сенсоры. Оптические
сенсоры позволяют проводить очень
точный анализ концентрации газов, но
имеют
сложную
конструкцию,
достаточно большое энергопотребление
и
стоимость.
сенсоры
Полупроводниковые
обладают
селективностью,
обеспечивают
но
низкой
при
длительную
этом
работу
Рис. 1- Сравнение стандартов
сенсора в необслуживаемом режиме,
просты,
сравнительно
обладают
малыми
дешевы
беспроводной передачи данных.
и
массогабаритными
показателями.
Современные
электрохимические сенсоры широко используются для анализа состава
газообразных
сред,
в
том
числе,
токсичных
газов
в
воздухе.
К
преимуществам электрохимических сенсоров следует отнести высокую
селективность, возможность работы в широком диапазоне концентраций,
значительный ресурс работы и короткое время достижения максимального
уровня
сигнала.
При
этом
на
проведение
измерений
с помощью
электрохимических сенсоров практически не требуется затрат энергии.
11
Показано, что эффективное осуществление мониторинга газового
состава
возможно путем создания беспроводных сенсорных сетей,
охватывающих большие территории и обеспечивающих непрерывный
контроль утечек горючих и токсичных газов. Одним из главных преимуществ
беспроводных сенсорных сетей перед проводными решениями заключается в
том, что беспроводные сети, в частности ее конфигурацию, можно
подстраивать под решение конкретной
задачи. При этом различные
беспроводные сетевые технологии обеспечивают различные характеристики
по используемым вычислительным ресурсам, потребляемой энергии,
скорости и дальности передачи данных (рисунок 1). Поэтому выбор
технологии в первую очередь обуславливается решаемыми задачами.
Показано, что для построения беспроводных сенсорных сетей наиболее
оптимальным,
с
точки
зрения
скорости
передачи
данных
и
энергопотребления, является использование стандарта Zigbee.
Во второй главе диссертации были разработаны технические решения
по созданию беспроводной сенсорной сети для мониторинга утечек
токсичных и горючих газов и контроля качества природной среды на
предприятиях промышленности. Для достижения этой цели в данной главе
были разработаны:
- схемотехнические решения для беспроводного газового датчика на
примере сенсора угарного газа,
-
конструктивно-технологических
принципов
создания
энергонезависимой цифровой платформы беспроводного газового датчика,
обеспечивающей
интеграцию
каталитических,
электрохимических
и
полупроводниковых газовых сенсоров с аналоговым и цифровым выходом и
беспроводную передачу данных по сетям стандарта Zigbee,
- система визуализации данных, поступающих от беспроводных
газовых датчиков.
Базовыми элементами беспроводной сенсорной сети являются
беспроводные газовые датчики. Такие датчики имеют типовую структуру,
12
которая состоит из нескольких
условных блоков (рисунок 2).
Выбор компонентов, как было
отмечено,
одним
из
главных
критериев при выборе элементной
базы для беспроводных датчиков с
автономным
питанием
величина
Вследствие
является
энергопотребления.
этого,
компоненты
датчика должны быть подобраны
Рис. 2 - Типовая структура
беспроводного газового датчика.
таким образом, чтобы базовые функции устройства могли выполняться с
минимумом затрачиваемой энергии.
Поскольку
все
вычислительные
ресурсы
датчика,
фактически,
ограничены возможностями микроконтроллера (МК), то необходимо с
особенным вниманием подходить к решению вопроса выбора его конкретной
модели. В таблице 2 представлены базовые характеристики ряда моделей
МК,
применяемых
в
электронных
устройствах.
Модели
МК
были
сопоставлены по трѐм характеристикам: диапазон напряжений питания,
рабочие тактовые частоты, а также ток, потребляемый МК в режиме
энергосбережения, но с возможностью самостоятельного переключения МК в
активный режим без использования сигналов от внешних устройств. Как
видно из таблицы 2, наиболее низким энергопотреблением (менее 1 мкА)
характеризуются МК CC2430, MC13224V и ATxmega32A4. Первые два
устройства обладают явным преимуществом перед остальными как минимум
по той причине, что имеют в своѐм составе встроенные приѐмопередатчики
диапазона 2,4 ГГц, соответствующие стандарту IEEE 802.15.4. Однако для
задач прототипирования беспроводного газового датчика дополнительное
проектирование ВЧ-радио тракта и последующая разработка стека сетевых
протоколов обмена данными для беспроводной сенсорной сети может
оказаться трудоѐмкой. Поэтому было решено выбрать МК ATxmega32A4, но с
13
тем расчѐтом, что в дальнейшем в качестве приѐмопередатчика будет
использовано
некоторое
готовое
устройство
со
всем
необходимым
аппаратным и программным обеспечением.
Таблица 2 - базовые характеристики МК различных семейств.
Модель МК
ADuC836
Uпитания
Тактовая частота
Потребляемый ток
в энергосберегающем режиме
2,7 – 3,6 В
98,3 кГц –
4,75-5,25В
12,58 МГц
20 мкА / 3,0 В / <85°C/ Osc.,TIC
вкл.
53 мкА / 5,0 В / <85°C/ Osc.,TIC
вкл.
AT90S2313-4
2,7 – 6,0 В
0 – 4 МГц
1 мА / 3,0 В / 4 МГц / Idle mode
ATmega128L
2,7 – 5,5 В
0 – 8 МГц
9 мкА / 3,3 В / 25 °C / Power-save
12МГц @ <2,7 В 0,5 мкА / 1,8 В / 25 °C / Powersave
ATxmega32A4 1,6 – 3,6 В 32МГц @ 2,7 В
0,7 мкА / 3,0 В / 25 °C / Powersave
СС2430
2,0 – 3,6 В
16 / 32 МГц
0,5 мкА / 3,0 В / 25 °C / Power
mode 3
MC13224V
2,0 – 3,6 В
13 – 26 МГц
0,9 мкА / 3,3В / 25 °C/ 8 Kbyte
RAM
PIC18LF8722 2,0 – 5,5 В
0 – 40 МГц
1,8 мкА / 2,0В / Timer 1 32 кГц
Далее были разработаны конструктивно-технологические принципы
создания цифровой платформы для беспроводных газовых датчиков,
обеспечивающих интеграцию газовых сенсоров различного типа, их и их
автономное питание. Беспроводный газовый датчик (БГД) представляет
собой цифровую программно-аппаратную платформу с возможностью
интеграции сенсоров различного типа, автономным питанием и передачей
данных через самоорганизующуюся беспроводную сеть. В соответствии с
задачами диссертационной работы БГД должен включать в себя следующие
функциональные
модули:
универсальную
14
цифровая
платформа
с
микропроцессорным
управлением,
модуль
приѐмопередатчика
для
обеспечения беспроводной передачи данных, газовые сенсоры токсичных и
горючих газов, источник питания. Блок схема БГД представлена на рисунке
3.
В качестве сенсоров токсичных и горючих газов был выбран следующий
набор сенсоров: каталитический сенсор метана ДТК-1 (НТЦ ИГД, г.
Люберцы);
электрохимический
электрохимический сенсор H2S,
сенсор
СО
NAP-505
(Nemoto);
NE4-H2S (Nemoto) и электрохимический
сенсор NO2 (Инкрам) с цифровым выходом. Электрохимические сенсоры
работают в амперометрическом режиме.
Управление
БГД
осуществляется
с
помощью
микроконтроллера
ATxmega32A4. Микроконтроллер осуществляет включение-выключение
компонентов схемы в соответствии с алгоритмом энергосбережения,
управление
сенсорами
и
проведением
измерений,
подключением
к
беспроводной сенсорной сети, передачу и прием данных.
Питание датчика осуществляется от литиевых батарей через DC-DC
преобразователь (преобразователь постоянного тока) TPS63060, способный
поддерживать требуемое напряжение питание на выходе 2.8 В при
изменении входного напряжения от 2.5
В
до
12
В.
Эффективность
преобразования DC-DC преобразователя
достигает 96 %.
Передача данных по беспроводной
сети
осуществляется
посредством
приемопередатчика стандарта ZigBee.
Для
передачи
ZigBee
модем
Подключение
данных
ETRX3
используется
(Telegesis).
приемопередатчика
к
управляющему микроконтроллеру БГД
осуществляется по интерфейсу UART.
15
Рис. 3 - Блок схема БГД.
Трехмерное изображение БГД представлено на рисунке 4.
Далее был проведен расчет энергопотребления беспроводного газового
датчика в непрерывном и периодическом режимах проведения измерений.
Для работы с БГД в составе
беспроводной сенсорной сети была
разработана система визуализации
данных измерений БГД. Задачей ее
является
получение
данных
от
датчиков по беспроводной сети и
отображение
их
на
экране.
Интерфейс системы визуализации
подразумевает отображение данных
Рис. 4 - Трехмерное изображение БГД.
измерений 4х сенсоров, входящих в
БГД. Кроме того, система визуализации позволяет осуществлять звуковую и
визуальную сигнализацию о событиях, требующих особого внимания. В
зависимости от статуса БГД, часть экрана, представляющая этот сенсор,
подсвечивается определенным цветом. Неактивный сенсор подсвечивается
серым, активный—зеленым. При низком напряжении источника питания
БГД подсвечивается желтым. При высокой концентрации газа
БГД
подсвечивается оранжевым цветом, а при опасной концентрации — красным.
Внешний вид включенной системы визуализации данных представлен
на рисунке 5.
В третьей главе диссертации
рассмотрены
беспроводного
(БГД).
Одним
параметры
газового
из
датчика
основных
параметров БГД является время его
автономной работы. Исходя и того,
что
энергопотребление
Рис. 5 - Внешний вид включенной
системы визуализации данных.
16
микропроцессора в активном режиме работы составляет 30 мВт, в
энергосберегающем режиме – менее 3 мкВт. Приемопередатчик стандарта
Zigbee в режиме приема-передачи может потреблять до 90 мВт в режиме
передачи. Однако, в нормальных условиях, он все время находится в спящем
режиме, в котором потребляет менее 3 мкВт. Энергопотребление сенсоров
газа в периодическом режиме проведения измерений составляет не более 1
мВт. Исходя из этого, от одной литиевой батареи типа АА (3,7 В и 3000
мА*ч) датчик будет работать 1,5 года, а от батареи типа Д (3,7 В и 18000
мА*ч) - 10 лет.
Для
оценки
качества
беспроводных
линий
связи
используется
показатель уровня принимаемого сигнала (RSSI), индикатор качества сигнала
(LQI) и коэффициент доставки пакетов (PRD). Было установлено, что
безопасная передача данных может быть реализована на расстояние до 300 м
в прямой видимости (таблица 3).
Таблица 3 - средняя производительность беспроводного канала в прямой
видимости между датчиком и приемным устройством.
Дальность (m)
6
12
25
50
100
150
200
300
RSSI (дБм)
-47
-57
-65
-66
-73
-73
-75
-76
LQI (00Н-FFН)
FF(255)
FF(255)
FF(255)
FD(253)
EF(239)
ED(237)
DB(219)
D2(210)
17
PDR (%)
100
100
100
100
100
96
96
95
Для
уменьшения
энергопотребления
электрохимических
датчиков
их
работа и проведение измерений
осуществляются в периодическом
режиме (спящий режим - режим
измерения).
Алгоритм
работы
датчика представлен на рисунке 7.
В
спящем
режиме
питание
аналоговой измерительной схемы
полностью выключается с помощью
МОП
транзистора,
а
сам
МК
переходит в спящий режим работы.
При этом снимается и напряжение,
Рис. 6 - Алгоритм работы автономного
подаваемое на электрохимические
электрохимического датчика
сенсоры. После выхода МК из
спящего режима для
проведения
измерений он отдает команду на
размыкание рабочего электрода и
электрода сравнения. При этом сам
МК, чтобы не расходовать энергию,
на 10 секунд возвращается в спящий
режим работы. Через 10 секунд МК
выходит
из
спящего
режима
и
выполняет измерение напряжения на
рабочем электроде и проводит расчет
концентрации СО (H2S). Передача
данных
приемопередатчиком
Рис. 7 - Средний ток потребления
(измерение и передача данных)
составляет 43,49 мА в течение 0,28 с.
к
координатору сети зависит от результаты расчета концентрации СО (H2S) в
МК. Если концентрация СО (H2S) меньше порогового значения, хранимого в
18
памяти МК, то передача данных не осуществляется, и наоборот. После этого
МК отдает команду на замыкание рабочего электрода и электрода сравнения
и переходит в спящий режим работы на 50 секунд. Далее цикл работы
датчика СО (H2S) повторяется.
Измерения концентрации СО проводятся 1 раз в минуту. Для
уменьшения энергопотребления в течении 10 секундного выхода на рабочий
режим, микроконтроллер переходит в спящий режим, включаясь на
несколько миллисекунд только в моменты: выхода из спящего режима,
проведения измерений и активации приемопередатчика. В таком режиме
работы основным потребителем тока является приемопередатчик (рисунок
7). Пик в потреблении тока наблюдается при получении или передаче
данных. Пик тока, связанного с подключением или отключением рабочего и
сравнительного электродов, не различается в данном временном масштабе,
так как время переключения происходит в миллисекундах. Среднее
потребление тока во время измерения и передачи данных составляет 43,49
мА в течение 0,28 с.
На рисунке 8 показаны зависимости выходного тока сенсоров от
концентрации газов в воздухе
в диапазоне предельно допустимых
концентраций (ПДК) для токсичных газов и НКПР для метана. Значения
ПДК взяты для населенных пунктов и рабочей зоны промышленных
предприятии в России. Как видно из рисунка 8 значения ПДК для воздуха
населенных пунктов и рабочей зоны промышленных предприятии: СО (5
мг/м3 и 20 мг/м3); NO2 (1 мг/м3 и 2 мг/м3); H2S (4 мг/м3 и 10 мг/м3) и СН4 (по
значению нижний концентрационный предел распространения (НКПР) 0.5 и
2 % об.). Кроме того были проведены исследования отклика БГД при
длительном измерении концентрации газов во времени (рисунок 9) и при
изменении температуры окружающей среды (рисунок 10). Из полученных
результатов видно, что разработанные датчики стабильны во времени и при
изменении условий окружающей среды.
19
I, нА
ПДК, мг/м3
а)
б)
в)
д)
Рис. 8 – Зависимость выходного тока от концентрации газа в воздухе:
а) угарный газ (СО) б) двуокись азота (NO2) в) сероводород (H2S) д) метан
СН4.
Рис. 9 - Стабильность беспроводного газового
датчика СО на 6 месяцев.
120
100
100
100
80
60
40
-20 -10 0 10 20 30 40 50
Температура (0С)
% Сигнал
120
% Сигнал
% Сигнал
120
80
60
40
-20 -10 0 10 20 30 40 50
Температура (0С)
80
60
40
-20 -10 0 10 20 30 40 50
Температура (0С)
б)
a)
Рис. 10 - Зависимости эффективного выходного сигнала сенсоров
СО (а), H2S (б) и NO2(в) от температуры.
20
в)
В четвѐртой главе диссертации разработана структурная схема и
алгоритм
работы
беспроводной
500м
сенсорной сети (БСС) для мониторинга
утечек токсичных и горючих газов и
контроля качества воздушной среды на
предприятиях
промышленности.
1200м
Беспроводная сенсорная сеть состоит из:
беспроводных газовых датчиков (Д);
беспроводных
маршрутизаторов
(М);
беспроводная система визуализации (К);
беспроводных
исполнительных
устройств (И) и тревоги устройства 1, 2 и
3. Схема беспроводной сенсорной сети,
развернутой для контроля концентрации
газов
в
больших
площадях,
Рис. 11 – Блок- схема
беспроводной сенсорной сети.
представлена на рисунке 11.
Беспроводные
газовые
датчики
осуществляют измерение концентрации
токсичных
и
периодическому
измерения
горючих
газов
режиму.
Результаты
сохраняются
микроконтроллера
порогами,
и
в
по
памяти
сравняются
с
уставленными
в
микроконтроллере. В зависимости от
результатов сравнения между значением
концентрации
микроконтроллер
газов
БГД
и
порогами
выдает
к
маршрутизатору и системе визуализации
Рис. 12- Алгоритм работы
беспроводной сенсорной сети.
21
соответствующие команды, представленные на рисунке 12.
Одним из наиболее важных параметров для БСС, которая выполняет
контроль концентрации токсичных и горючих газов, является время передачи
данных по беспроводной сенсорной сети. В результате проведенных
измерений было показано, что время передачи данных по беспроводной сети
составляет около 347 мс. Как было показано выше, это время значительно
ниже, чем во время измерения и интервал между измерениями, так что
позволяет системе незамедлительно реагировать на возникновение утечек
токсичных и горючих газов.
Основные результаты:
1. Разработаны конструктивно-технологические принципы беспроводной
сенсорной
сети
для
контроля
состава
воздуха,
включающей
энергонезависимую цифровую платформу беспроводного газового датчика
для обеспечения мониторинга утечек горючих и токсичных газов. Данная
платформа позволяет подключать до четырех разных газовых сенсоров:
каталитического, полупроводникового, электрохимического или оптического
типа, которые имеют цифровой или аналоговый выход.
2. Создан экспериментальный образец беспроводного газового датчика
для
мониторинга
состава
воздуха,
функционирующий
в
составе
беспроводных сенсорных сетей стандарта Zigbee на частоте 2.4 ГГц.
Скорость передачи данных до 250 кбит/с. В состав беспроводного газового
датчика включены сенсоры метана, угарного газа, сероводорода и двуокись
азота с аналоговым и цифровым входом. Датчик является двухпороговым и
предназначен для проведения измерений концентрации токсичных газов в
соответствии со предустановленными
значениями
ПДК для воздуха
населенных пунктов и рабочей зоны промышленных предприятии: СО (5
мг/м3 и 20 мг/м3); NO2 (1 мг/м3 и 2 мг/м3); H2S (4 мг/м3 и 10 мг/м3) и СН4 (по
НКПР 0.5 и 2 % об.). Безопасная передача данных по радиоканалу может
быть реализована на расстояние до 300 м в прямой видимости (при выходной
22
мощности 1 мВт) и обеспечена возможностью развертывания системы
беспроводного мониторинга на больших территориях.
3. Разработаны энергоэффективные алгоритмы проведения измерений
метана и токсичных газов, СО, H2S и NO2 (в диапазоне НКПР и ПДК,
соответственно) и алгоритм передачи данных по беспроводной сети
стандарта Zigbee, уменьшающий энергопотребление датчика до 100 раз и
обеспечивающий долговременную автономную работу на территориях с
отсутствием сетевого питания.
4. Разработана
система
визуализации
данных,
получаемых
от
беспроводных газовых датчиков, с доступом через стандарт беспроводной
передачи данных Zigbee и мобильную связь (GSM).
5. Проведены экспериментальные исследования зависимости выходного
сигнала сенсоров СО, H2S, NO2 и метана БГД
от концентрации
соответствующего газа в воздухе, температуры окружающей среды и
времени проведения измерений. Показано, что параметры БГД стабильны во
времени и при изменении условий окружающей среды.
6. Для обеспечения эффективного мониторинга утечек горючих и
токсичных газов, а также контроля природной среды на промышленных
предприятиях, предложено использовать беспроводную сенсорную сеть,
включающую беспроводные газовые датчики, исполнительные устройства,
маршрутизаторы
структурная
и
схема
беспроводная
и
алгоритм
система
работы
визуализации.
беспроводной
мониторинга газового состава на протяженных объектах
Построены
системы
для
и контроля
природной среды при утечках горючих и токсичных газов. Показано, что
время передачи данных по беспроводной сети составляет около 347 мс. Это
позволяет системе незамедлительно реагировать при детектировании утечек
токсичных и горючих газов на промышленные предприятия.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.
В дальнейшем предполагается расширить число отслеживаемых газов и
разработать принципы
построения самоорганизующейся беспроводной
23
сенсорной сети для
проведения газового мониторинга на территории
протяжѐнных объектов, в том числе, встраивание данной системы в
автоматизированные системы управления технологическим предприятием
(АСУ ТП). Это позволит обеспечить мониторинг и контроль природной
среды прогнозирование техногенных опасностей и рисков возникновения
чрезвычайных ситуаций на предприятиях промышленности.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа проводилась при поддержке Минобрнауки РФ по теме:
«Исследование и разработка сенсорных узлов и универсальной цифровой
платформы для построения самоорганизующихся и энергонезависимых
беспроводных сенсорных сетей ("умная пыль") для систем промышленной
безопасности и экологического мониторинга». Уникальный идентификатор
RFMEFI57714X0133.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1.Т. Ф. Ку, Д. Н. Спирякин. Автономное беспроводное устройство для
мониторинга концентрации СО // Датчики и Системы, № 6, 2015, с.42-46.
(ВАК)
2. Т. Ф. Ку, Саба Акбари. Оптимизация процесса сбора солнечной
энергии при питании беспроводного датчика метана от возобновляемых
источников энергии // журнал «Труды МАИ», выпуск № 94, 2017. (ВАК)
3. Т. Ф. Ку. Разработка газовых сенсоров с низким энергопотреблением
для беспроводных энергонезависимых сенсорных сетей ("умная пыль") //
Международный научно-исследовательский журнал, № 11 (42), 2015, с. 116122, DOI: 10.18454/IRJ.2015.42.094. (Agris)
4. Т. Ф. Ку. Разработка и исследование беспроводной сенсорной сети для
мониторинга угарного газа // Международный научно-исследовательский
журнал, № 6 (48), 2016, с. 148-153, DOI: 10.18454/IRJ.2016.48.171. (Agris)
5. Т. Ф. Ку. Разработка и исследование беспроводного автономного
датчика СО // XL международная молодѐжная научная конференция
«Гагаринские чтения 2014», том 3, с. 38-39.
24
6. Т. Ф. Ку. Разработка беспроводного датчика угарного газа // Труды
МАТИ – (2015) Выпуск 27(99), с. 50-55.
7. Т. Ф. Ку. Разработка системы визуализации данных измерений
беспроводных газовых датчиков // XLII международная молодѐжная научная
конференция «Гагаринские чтения 2016», том 3, с. 167-168.
8. S. Akbari, P. C. Thanh and D. S. Veselov. Maximum power point tracking
for optimizing energy harvesting process // IOP Conf. Series: Materials Science
and Engineering151(2016) 012032, p. 1-4, doi:10.1088/1757-899X/151/1/012032.
25
Подписано в печать: 12.06.2017
Объем 1,0 усл.п.л
Тираж 100 экз. Заказ № 1608
Отпечатано в типографии «Реглет»
125315, г. Москва, Ленинградский проспект д. 74, копр. 1
+ 7(495) 790-47-77 www.reglet.ru
26
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
854 Кб
Теги
0e2f82f041, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа