Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние дел в области разработки и исследования газовых датчиков с низким энергопотреблением для беспроводных сенсорных сетей 11
1.1 Анализ факторов воздействия промышленных предприятий на окружающую среду 11
1.2 Классификация газовых сенсоров с точки зрения энергопотребления 14
1.3 Анализ беспроводных сенсорных сетей 23
1.4 Основные тенденции в разработке беспроводной сенсорной сети 25
1.5 Современные платформы беспроводной сенсорной сети 28
1.6 Развертывание беспроводных сенсорных сетей в реальных условиях 35
1.7 Выводы обоснования необходимости создания беспроводных энергонезависимых сенсорных сетей 39
2. Разработка конструктивно-технологических принципов создания беспроводных газовых сетей 41
2.1 Выбор технологии беспроводной передачи данных 41
2.2 Блок-схема беспроводного газового датчика 45
2.3 Разработка электрических цифровых и аналоговых схем и компоновки беспроводного газового датчика угарного газа 52
2.4 Разработка конструктивно-технологического принципа создания беспроводных сенсорных узлов, обеспечивающих интеграцию газовых сенсоров различного типа 58
2.5 Разработка координатора беспроводного сенсорного сети 66
2.6 Математическое моделирование параметров электрической схемы
беспроводного газового датчика (энергопотребления в различных режимах работы) 70
2.7 Выводы 75
3. Исследования параметров беспроводного сенсорного узла 77
3.1 Анализ времени автономного питания беспроводного сенсорного узла 77
3.2 Исследования дальности передачи данных 79
3.3 Разработка энерго-эффективного алгоритма проведения измерений 84
3.4 Исследования энергопотребления по различным режимам работы 86
3.5 Измерения отклики БСУ при разных концентрациях газов 88
3.6 Исследования стабильности измерений во времени и температуры окружающей среды 91
3.7 Выводы 93
4. Разработка и исследования беспроводной сенсорной сети для газового мониторинга 94
4.1 Структурная схема беспроводной сенсорной сети 94
4.2 Алгоритм работы беспроводной сенсорной сети 96
4.4 Выводы 102
Заключение 103
Список литературы 105
- Анализ беспроводных сенсорных сетей
- Блок-схема беспроводного газового датчика
- Разработка энерго-эффективного алгоритма проведения измерений
- Алгоритм работы беспроводной сенсорной сети
Введение к работе
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
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
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.
-
Предложен энергоэффективный алгоритм работы и проведения измерения 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.
-
Исследование параметров радиоканала в процессе передачи данных от беспроводного газового датчика к системе визуализации данных показало возможность обеспечения мониторинга чрезвычайных ситуаций на больших пощадах.
-
Показана возможность создания на основе автономных
беспроводных газовых датчиков самоорганизующихся и энергонезависимых
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 методологию измерений состава воздуха на больших территориях, где отсутствует сетевое питание, с использованием распределенных сенсорных сетей. На основе 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 беспроводная сенсорная сеть расширяет арсенал технических средств технологического мониторинга газовой 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
«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:
-
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.
-
Конструктивно-технологические решения по созданию
энергонезависимой цифровой платформы беспроводного газового датчика,
обеспечивающей измерение концентрации горючих и токсичных газов в
воздухе, передачу данных измерений по беспроводным сенсорным сетям и долговременное автономное питание.
-
Энергоэффективные алгоритмы проведения измерений токсичных и горючих газов, обеспечивающие долговременную автономную работу беспроводных газовых датчиков.
-
Результаты исследования параметров и характеристик беспроводного газового датчика и беспроводной сенсорной сети для мониторинга концентрации токсичных и горючих газов в воздухе.
Достоверность и апробация результатов. Достоверность
обуславливается использованием апробированных систем
автоматизированного проектирования радиоэлектронных систем,
государственных методик измерения газового состава и беспроводных стандартов передачи данных.
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались на Международной Молоджной Конференции «XL
Гагаринские Чтения»; Международной Молоджной 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;
- 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 и изготовлен экспериментальный образец системы беспроводного мониторинга утечек токсичных и 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, четырх глав и заключения, изложенных на 115 страницах машинописного текста, списка литературы из 92 наименований и содержит 57 рисунка и 10 таблиц.
Анализ беспроводных сенсорных сетей
Электрохимические датчики позволяют определять концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости раствора, поглотившего этот газ. Чувствительным элементом датчика является электрохимический сенсор, состоящий из трех электродов, помещенных в сосуд с электролитом. Чувствительность к различным компонентам определяется материалом электродов и применяемым электролитом.
В качестве сенсора СО в работе был рассмотрен сенсор NAP-505 (Nemoto), работающий в амперометрическом режиме [10]. Принцип действия сенсора основан на том, что если к электродам приложить определенный потенциал, соответствующий окислению или восстановлению определяемого вещества, то сила тока в ячейке будет пропорциональна его концентрации. Для проведения точных амперометрических исследований и измерений в электрохимические сенсоры включают три электрода: рабочий, вспомогательный и сравнения (рисунок 1.2). Электрод сравнения необходим для точного поддержания неизменного напряжения между рабочими электродами. Газ проникает внутрь сенсора через газопроницаемую мембрану и угольный фильтр, который удаляет неконтролируемые газы. Реакция взаимодействия происходит на трехфазной границе раздела электролит – газ – катализатор (ИЭ – индикаторный электрод). В воздушной среде, содержащей пары воды и примесь СО, в ИЭ возможны следующие электрохимические реакции: CO + H2O CO2 + 2H+ +2e O2 + 2H+ + 2e H2O
Технические характеристики сенсора NAP-505RS Диапазон измерения 0-1000 ppm Разброс показаний менее чем ±5% / Год Выходной сигнал 40±10nA / ppm CO Диапазон рабочих температур: -20C до +50C Диапазон рабочей относительной влажности: 15-90% без конденсации. Время отклика T90: в течение 30 сек. Полупроводниковые/Каталитические сенсоры
Исследования влияния адсорбции газов на электрофизические характеристики полупроводников, начатые в 40-х годах прошлого столетия в связи с развитием полупроводниковой техники, поставили и обратную задачу - детектировать газовые примеси по изменению электрофизических характеристик полупроводника. Однако, в отличие от быстрого внедрения полупроводниковых приборов во все области науки и техники, путь полупроводниковых сенсоров от лабораторных разработок до датчика серийных газоанализаторов оказался несопоставимо длинным. Основными производителями металлооксидных полупроводниковых сенсоров являются английская фирма «City Technology» и японская фирма «Figaro.Inc» [11, 12].
Важнейшая проблема полупроводниковых сенсоров: низкая селективность. Однако их достоинства - высокая чувствительность, быстродействие, миниатюрность, небольшая стоимость при массовом производстве. Поэтому эти сенсоры очень привлекательны для использования в качестве датчиков газоаналитических приборов. Перспективными областями применения приборов на базе полупроводниковых сенсоров являются определение в атмосфере, в том числе продолжительный мониторинг, химически активных малых газовых примесей на станциях наблюдения фонового состава атмосферы (в отсутствие антропогенных выбросов) и контроль качества воздуха в районах размещения промышленных предприятий и в жилых зонах. В последние годы все более широкое распространение получают мобильные станции контроля качества атмосферного воздуха, для оснащения которых необходимы недорогие портативные газоанализаторы [13].
Сенсором СО TGS203 Figaro является полупроводниковой датчик на основе оксида олова. Принцип действия датчика основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки вследствие адсорбции газа на ее поверхности. На трубчатую подложку из оксида алюминия (рисунок 1.3) нанесен тонкий слой оксида олова (SnО2), легированного элементами, обладающими каталитическими свойствами (Рt, Сu, Ni, Рd), чтобы обеспечить более высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси.
При нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400оС) при помощи нагревательного элемента, выполненного в конструктиве с датчиком, происходит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода на поверхность сенсора, имеющую мелкозернистую структуру. Протекание адсорбции зависит от концентрации газа примеси. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая проводимость сенсора. Отклик датчика выражается через изменение его сопротивления в зависимости от концентрации газа, изменяющего адсорбцию кислорода на материале сенсора. Быстрота отклика зависит от модели датчика и конкретного газа примеси.
Соотношение между сопротивлением сенсора и концентрацией газа примеси задается выражением: R= A [C]- где R - электрическое сопротивление сенсора, А, - константы, [С] - концентрация газа примеси. В соответствии с этой формулой, зависимость сопротивления датчика от концентрации газа примеси линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона концентраций (от нескольких миллионных долей (ppm) до нескольких тысяч). Датчик проявляет чувствительность к различным типам газов примеси одновременно, но оптимальная селективность к определенному типу обеспечивается, во-первых, путем ввода специальных легирующих добавок в оксид олова на этапе изготовления и, во-вторых, выбором рабочей температуры сенсора, что достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения [14].
Блок-схема беспроводного газового датчика
Среди различных доступных вариантов был выбран примопередатчик ETRX357 компании «Telegesis». Этот модуль имеет широкий диапазон напряжений питания – от 2,1 до 3,6 В, обладает низким током потребления (менее 1 мкА в режиме «Deep sleep»), частотой несущей 2,4 ГГц с выходной мощностью до +8 дБ мвт и чувствительностью до -101 дБ мвт, а также скоростью передачи данных до 250 кбит/с.
Следующим вполне логичным шагом является разработка системы питания датчика, где необходимо определиться с выбором элементов питания и схемой стабилизации напряжения. При разработке текущего прототипа не было поставлено конкретных требований к осуществлению функций подзарядки элементов питания или использования альтернативных источников энергии. Поэтому главной задачей было спроектировать энергоэффективную схему способную обеспечить достаточный выходной ток (не менее 200 мА) при стабильности выходного напряжения. Это, в свою очередь, породило определнную дилемму выбора между линейными и импульсными стабилизаторами. С одной точки зрения, линейные стабилизаторы имеют относительно низкий уровень шума, но также характеризуются малым КПД из-за того, что некоторая часть мощности рассеивается на регулирующем элементе. С другой точки зрения, импульсные стабилизаторы обладают большей эффективностью, но имеют некоторый уровень помех в выходном напряжении.
Неоднозначность в выборе схемы питания заключается в том, что датчик беспроводной сенсорной сети является измерительным устройством. В данном конкретном случае, детектор горючих газов на основе термокаталитического сенсора должен быть способным определять весьма малые отклонения сложных аналоговых сигналов. К примеру, полезный отклик измерительной схемы с термокаталитическим сенсором обладает амплитудой напряжения от десятков микровольт до единиц милливольт в зависимости от реализации схемы. Поэтому, казалось бы, обеспечение низкого уровня помех в линии питания должно быть первостепенной задачей. Однако не менее важным является достижение максимально продолжительного срока автономной работы устройства, что невозможно достичь без применения энергоэффективных схем. Таким образом, было решено реализовать в прототипе две различных переключаемых схемы питания: одну на основе линейного стабилизатора, другую - на основе импульсного преобразователя. Необходимо отметить, что существует огромное множество подобных схем и интегральных приборов для стабилизации и преобразования напряжения питания. Но поскольку в рамках настоящей работы главной задачей было получить функционирующий прототип беспроводного газового детектора для дальнейшего определения его основных характеристик и возможностей, то выбор осуществлялся исходя из критериев наджности, простоты реализации, стоимости и доступности.
В качестве линейного стабилизатора был выбран высокоточный LDO-регулятор ADP3335 компании «Analog Devices» [76]. Данный прибор характеризуется малым падением напряжения и допустимым выходным током до 500 мА, обеспечивая выходное напряжение 3.3 В с точностью ±0.9% при входных напряжениях диапазона 3.7 4- 12 В. Среднеквадратичное напряжение шума не превышает 95 мкВ. Прибор имеет простую схему включения и требует минимума внешних компонентов.
Для построения же схемы с импульсным стабилизатором напряжения решено было воспользоваться схемой преобразователя на основе дросселя. В этом плане наибольшую популярность приобрели DC/DC-преобразователи. Среди них существуют преобразователи, как с понижением напряжения, так и с повышением. Исходя из того, что в схеме прототипа беспроводного датчика уже предусмотрен понижающий напряжение LDO-регулятор, то с целью расширения допустимого диапазона питания устройства был выбран повышающий DC/DC-преобразователь, в частности, TPS61031 компании «Texas Instruments» [77]. Этот прибор способен выдавать ток от 1.5 до 2.7 А в зависимости от напряжения питания, значение которого для нормального функционирования преобразователя должно быть не менее 1.8 В. Эффективность его работы может достигать 96%. Согласно схеме включения TPS61031, для его исправного функционирования необходимо использовать дроссель с рекомендуемым номиналом 6.8 мкГн и способным пропускать ток в несколько единиц ампер.
Для рассматриваемого прототипа решено было воспользоваться газовыми сенсорами термокаталитического типа с традиционной мостовой схемой Уинстона, где в одну ветвь моста последовательно включены активный и компенсационный термокаталитические сенсоры модели ДТК-2. Помимо получения значения разности потенциалов с измерительной диагонали моста, также важно контролировать протекающий через сенсоры ток, который, фактически, является функцией от температуры их нагревателей. Для этого к нижней точке моста был подключен прецизионный резистор номиналом 1 Ом. Напряжение на нм соответствовало току через мост.
Следует отметить, что при такой схеме включения, напряжение питания сенсорной схемы должно составлять 2.8 ± 0.1 В. Для формирования этого напряжения удобно использовать встроенный в МК 12-разрядный ЦАП. Однако его максимального выходного тока явно недостаточно для разогрева сенсоров, поэтому для того, чтобы развязать высокое выходное сопротивление ЦАП с низким сопротивлением нагрузки, необходимо воспользоваться повторителем напряжения. Для этой цели подходит известная схема на базе операционного усилителя (ОУ). Например, в прототипе был применн ОУ AD8532 от компании «Analog Devices», который способен обеспечить до 250 мА выходного тока.
Разработка энерго-эффективного алгоритма проведения измерений
Как выше показано, БСУ должен включать в себя следующие функциональные модули: универсальная цифровая платформа (УЦП) с микропроцессорным управлением, модуль примопередатчика для обеспечения беспроводной передачи данных, газовые сенсоры в соответствии с назначением сенсорной сети, интеллектуальный источник питания. Питание схемы осуществляется с помощью интеллектуального источника питания на вход которого подключаются батареи и до двух различных альтернативных источников энергии (солнечная батарея, ветрогенератор и др.)[93].
На рис.3.1 показаны теоретические и экспериментальные зависимости уменьшения энергии в конденсаторе и напряжения на его обкладках при работе датчика СО в случае полностью заряженного конденсатора (U=2,7 В). Разрядка суперконденсатора происходит намного быстрее (240 часов) по сравнению с ожидаемым теоретическим значением приблизительно равным 360 часам. Этот результат обусловлен как саморазрядом конденсатора, так и потерями в ДС-ДС преобразователе. ДС-ДС преобразователь имеет высокий КПД (около 90 %), если выполняет понижение напряжения. В случае повышения напряжения до 3.3 В КПД преобразования значительно ниже.
В данном разделе сделаны оценки энергопотребления в случае работы только одно датчика СО и приемопередатчика. Очевидно, что проведение измерений всеми 4-мя сенсорами увеличит расход энергии. Однако, как было уже показано, основным энергопотребителем является примопередатчик. При этом приемопередатчик будет активироваться после поведения измерений концентраций всех 4-х детектируемых газов. Поэтому увеличение энергопотребления при проведении измерении 4-х газов по сравнению с одним газом не будет значительной.
Теоретические (сплошные) и экспериментальные (точечные) кривые уменьшения запасенной энергии (цифры «1» и «3») в суперконденсаторе и напряжения на его обкладках (цифры «2» и «4») в зависимости от времени работы беспроводного датчика угарного газа. Энергопотребление 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, но в нормальных условиях он все время находится в спящем режиме, в котором он потребляет менее 3 мкВт. Энергопотребление подключаемых датчиков газа 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. При этом важно отметить, что если концентрация СО меньше предустановленного порогового значения, то нет необходимости в передаче данных на координатор сенсорной сети. Это еще больше уменьшает энергопотребление датчика. 3.2 Исследования дальности передачи данных
В беспроводном сенсорном узле применяется технология передачи данных ZigBee по протоколу BACnet. Для оценки беспроводных линий связи используеся показатель уровня принимаемого сигнала (RSSI) [81] и индикатор качества сигнала (LQI) [82].
Показатель уровня принимаемого сигнала, RSSI (англ. received signal strength indicator) - это полная мощность принимаемого примником сигнала. Этот показатель измеряется примником по логарифмической шкале в дБм (dBm, децибел относительно 1 милливатта). RSSI является единственным практически доступным параметром для измерения расстояния до базовой станции или маяка. Уравнение для вычисления расстояния (за пределами ближней зоны передатчика) имеет следующий вид: Pd = Po-10n\g(d/d \ где tk — выбранное единичное (калибровочное) расстояние (например, 1 м), d — расстояние до передатчика, PQ — мощность сигнала (в дБм) на единичном расстоянии, Pd— RSSI, п— коэффициент потерь при распространении сигнала (для воздуха п = 2, увеличивается при наличии препятствий), lg — десятичный логарифм.
Индикатор качества сигнала LQI является метрикой текущего качества принимаемого сигнала. LQI лучше всего использовать в качестве относительного измерения качества линии связи, так как его значение зависит от формата модуляции. LQI показывает способность сигнала, который должен быть демодулированным в масштабе 0-255.
Разработка беспроводной сенсорной сети, включающей 9 узлов датчиков и 1 координатор сети, развернутых в котельных установок (служебных помещений и главного зала) на территории более 2000 м2 (рисунок 3.2). Топология упомянутой сети имеет конфигурацию звезды. Координатор сети автоматически настраивает параметры сети. Связь в сети осуществляется с использованием стандарта IEEE802.15.4 и низким энергопотреблением беспроводной спецификации ZigBee [83].
Алгоритм работы беспроводной сенсорной сети
Беспроводные газовые датчики с автономным питанием функционируют в 2-х пороговом режиме измерений. Значения порога выбраны в соответствии по значениям ПДК для токсичных газов (СО, H2S и NO2) и НКПР для метана. В России приняты следующие нормы предельно допустимых концентраций газов 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) 2 и 4.7 % об.). На рисунке 4.2 представлен алгоритм беспроводной сенсорной сети при измерении концентрации газов.
Работа беспроводной сенсорной сети в штатной ситуации осуществляется по следующему алгоритму Беспроводные газовые датчики проводят измерения концентраций газов (обозначены буквой Д на рисунке 4.1). C целью энергосбережения измерения концентрации газов проводятся в периодическом режиме: режим измерения- спящий режим - режим измерения. Продолжительность режима измерения составляет порядка 1 с. Продолжительность спящего режима определяется техническими требованиями. Типичными являются значения в интервале от 10 до 60 с. При этом в режиме измерения функционируют все элементы датчика за исключением ZigBee модема, который находится в спящем режиме. Если превышения концентрации выявлено не было, то беспроводной газовый датчик (датчики) возвращается в режим минимального энергопотребления (спящий режим). Измеренные значения концентрации газа не передаются на координатор сети (обозначен буквой К на рисунке 4.1). При необходимости они могут быть сохранены в самих датчиках. Маршрутизаторы и исполнительные устройства находятся в режиме приема. Работа беспроводной сенсорной сети в нештатной ситуации осуществляется по следующему алгоритму
Если измеренное беспроводным датчиком значение концентрации газов находиться в диапазоне I порога – II порога, то микроконтроллер переводит ZigBee-модем в режим передачи, формирует и отправляется пакет данных на маршрутизатор (обозначен М, на рисунке 4.1), который, в свою очередь, направляет данные дальше, пока они не дойдут до координатора сети. Передаваемые данные в обязательном порядке включают информацию, позволяющую идентифицировать датчик, с которого оно отправлено. Кроме того, включается соответствующая световая и звуковая сигнализация самого беспроводного газового датчика. После получения подтверждения об успешной доставке модем беспроводного датчика переходит в спящий режим. Сам беспроводной датчик после выполнения всех своих функций в случае нештатной ситуации также возвращается в спящий режим. В зависимости от заложенного в управляющий микроконтроллер алгоритма время нахождения в спящем режиме может быть уменьшено.
Если измеренное беспроводным датчиком, например Д1, значение концентрации газов выше II порога, то микроконтроллер, управляющий работой беспроводного датчика, переводит ZigBee-модем в режим передачи и по беспроводной сети отправляет команду исполнительному устройству, связанному с ним (И1) и, получив подтверждение об исполнении, формирует и отправляет пакет данных на маршрутизатор (обозначен М1, на рисунке 4.1), который, в свою очередь, направляет данные дальше, к координатору сети. Передаваемые данные в обязательном порядке включают информацию, позволяющую идентифицировать датчик, с которого они отправлены. Кроме того, включается соответствующая световая и звуковая сигнализация самого беспроводного газового датчика. Аналогичным образом и маршрутизатор после получения данных от беспроводного датчика, например Д1, отдает команду исполнительному устройству, связанному с ним (И1), и получив, подтверждение об исполнении, отправляет пакет данных на координатор сети. После получения подтверждения об успешной доставке модем беспроводного датчика переходит в спящий режим. Сам беспроводной датчик после выполнения всех своих функций в случае нештатной ситуации также возвращается в спящий режим. При этом в зависимости от заложенного в управляющий микроконтроллер алгоритма, время нахождения в спящем режиме может быть уменьшено.
Координатор сети, после получения данных о превышении концентрации газов в одном или нескольких помещениях и данные об уже выполненных действиях от исполнительных устройств, отдает команду связанным с ним исполнительным устройствам (И3) и (И4) [если таковые имеются] и, получив подтверждение об исполнении команд, формирует и посылает пакет данных в соответствующую аварийно-спасательную службу (1 на рисунке 4.1) (в частности, для вывода информации на пульт автоматизированного рабочего места), ответственным лицам (2, рисунок 4.1), а также собственникам помещений (3, рисунок 4.1). Кроме того, полученные данные сохраняются во встроенной или внешней памяти.