УДК 681.586^33.614.842.614
МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ СИСТЕМА С БЕСПРИВОДНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ГАЗОВОГО СОСТАВА СРЕДЫ
MULTISENSOR SYSTEM WITH WIRELESS COMMUNICATION CHANNEL FOR ENVIRONMENTAL GAS MONITORING
Самотаев Николай Николаевич
канд. техн. наук, доцент кафедры Е-mail: nnsamotaev@mephi.ru
Иванова Анастасия Владимировна
инженер
Е-mail: avkushneruk@mephi.ru
Облов Константин Юрьевич
инженер
Е-mail: kyoblov@mephi.ru
Соловьев Сергей Александрович
инженер
Е-mail: kyoblov@mephi.ru
Каменев Сергей Александрович
студент
Е-mail: sergeykam@rambler.ru
Санков Никита Сергеевич
студент
Е-mail: kerbitsn@gmail.com
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
Аннотация: В работе представлена беспроводная система с открытым доступом для мониторинга газового состава окружающей среды, состоящая из четырех датчиков, передающих данные по протоколу, специально разработанному для цифровых интеллектуальных датчиков (digital intellectual sensors, DIS). Архитектура системы имеет возможность "горячей замены" датчиков. Данные о концентрациях газов, получаемые с датчиков, могут быть представлены через любое web-приложение любого мобильного устройства (ноутбук, планшетный ПК, смартфон и т. п.). Ключевые слова: Wi-Fi, датчик, микроконтроллер.
Samotaev Nikolay. N.
Ph. D. (Technical), Associate Professor Е-mail: nnsamotaev@mephi.ru
Ivanova Anastasia. V.
Engineer
Е-mail: avkushneruk@mephi.ru
Oblov Konstantin. Yu.
Engineer
Е-mail: kyoblov@mephi.ru
Soloviev Sergey. A.
Engineer
Е-mail: kyoblov@mephi.ru
Kamenev Sergey. A.
Student
Е-mail: sergeykam@rambler.ru
Sankov Nikita S.
Student
Е-mail: kerbitsn@gmail.com
National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
Abstract: In this work, we demonstrated an open access Wi-Fi wireless system for environmental gas monitoring based on different types of gas sensors with SPI digital output. Multisensor system consists of four sensors with especially developed data exchange protocol for digital intellectual sensors (DIS) giving possibility to work with any type of sensors. System architecture has also such advantage as "hot swap" of sensors. Visualization of gas concentrations received from the system is possible through any web application available on any mobile device (laptop, smart phone, etc.). Keywords: Wi-Fi, sensor, microcontroller.
ВВЕДЕНИЕ
Для мониторинга газового состава среды перспективными представляются микроэлектронные системы с беспроводными каналами связи. Некоторые разработки таких систем являются сегодня коммерчески доступными, например, газо-
чувствительная система Waspmote [1]. Примеры беспроводных систем с использованием одного датчика были продемонстрированы в [2—4]. Подобные системы требуют частых калибровок, что может стать причиной погрешностей при измерении газовых концентраций, поскольку в
чувствительном контуре используется лишь один датчик. Мультисен-сорные системы пока не столь популярны, поскольку разработчики газоаналитических приборов фокусируют внимание в основном на параметрах энергопотребления и увеличении функциональной слож-
ности сети за счет добавления элементов резервирования данных.
По принципу передачи данных в системах беспроводного мониторинга газового состава среды можно выделить три типа коммуникаций: по технологиям ZigBee [5], GSM [6] и Wi-Fi [7]. Главной проблемой большинства подобных систем является ограниченный доступ к данным вследствие интеграции в более крупные системы [8], в которых для сбора и хранения больших массивов данных требуются специально разработанные алгоритмы [9].
В данной статье представлена мультисенсорная микроэлектронная система, способная работать без специального пользовательского программного обеспечения и не требующая частых калибровок. По замыслу она должна быть легкодоступна для малоопытного пользователя. Система создана для обработки и отображения информации, полученной по протоколу обмена данными в режиме реального времени. Для передачи данных между датчиками и материнской платой системы был выбран открытый цифровой протокол в соответствии со стандартом [10]. Данный выбор позволяет использовать в системе любой тип датчиков, ограничение может касаться лишь числа датчиков и их напряжения питания.
В работе использовались полупроводниковый датчик, чувствительный к угарному газу [11] (рис. 1, а) и электрохимический датчик производства компании Alphasense Ltd. (Великобритания), чувствительный к кислороду O2 [12] (рис. 1, б). Датчики содержат микроконтроллеры Attiny84-20MU [13]. Структурная схема датчиков представлена на рис. 2. Все датчики помещаются в цилиндрические корпуса диаметром 20 мм.
Мультисенсорная система состоит из четырех основных частей: печатной платы, датчика, Wi-Fi модуля и корпуса. Структурная схема системы изображена на рис. 3. Система управляется маломощным мик-
Рис. 1. Металлооксидный датчик угарного газа СО (в) и жидкостный электрохимический датчик кислорода О2 (б) в пластиковых корпусах
Рис. 2. Структурная схема интеллектуального датчика угарного газа СО (в) и жидкостного электрохимического датчика кислорода (б)
UART 3,3 В
Антенна Беспроводной Микроконт- Стабилизатор LM317T
модуль WI-Fi роллер 3,3 В
Wi-Fly ATMega168PA
Шина SPI Ji
Антенна
Датчик DIS
а
Датчик DIS
Датчик DIS i
Датчик DIS *-
Питание 2...30 В
3,3 В; 5 В
Стабилизатор LM317T
Персональный компьютер
Беспроводной модуль WI-Fi JSON Интернет браузер
Рис. 3. Структурная схема мультисенсорной системы
роконтроллером ATmega168PA-AU. Для Wi-Fi коммуникации используется модуль WiFly-RN-171-802.11 [14] с аппаратной платформой RN-XV (Roving Networks). Реальная рабочая дальность такого передатчика, полученная экспериментально, составляет около 20 м.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Программное обеспечение системы состоит из двух основных частей — встроенной и клиентской. Первая написана на языке программирования "С"; в ней используется
техника функционального программирования. Клиентская часть исполнена на объектно-ориентированном языке программирования Javascript.
Структура программного обеспечения системы показана на рис. 4. Клиентский интерфейс может быть вызван в любом интернет-браузере; для этого в адресную строку необходимо ввести сетевой адрес системы, после чего клиентская программа загружается и выводится на экран.
Пользовательский интерфейс системы представлен на рис. 5. Он
содержит четыре графика, каждый из которых показывает в реальном времени информацию, полученную от соответствующего цифрового датчика. Возле каждого графика находятся таблицы, отображающие название измеряемого газа, тип датчика, напряжение питания, а также текущий статус. После каждого измерения на соответствующие диаграммы добавляются новые точки; графики сдвигаются автоматически при достижении предела шкалы. В верхней области интерфейса находится информационная полоса, которая содержит информацию о последней входящей линии JSON и результат тестирования этой линии. Также на информационной полосе имеются кнопка начала опроса датчиков, селектор, позволяющий выбрать период опроса, и селектор для изменения уровней аварийного сигнализирования.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Основное внимание исследователей было сфокусировано на разработке программного и аппаратного обеспечения для передачи данных без решения задачи минимизации энергопотребления. В работе был использован стационарный источник питания +12 В, хотя в системе предусмотрена возможность работы и от аккумулятора, что делает ее независимой от сетевого питания. Такой подход позволяет применять доступные металлооксид-ные датчики метана с повышенной потребляющей мощностью (около 200 мВт) в режиме непрерывной работы [11]. Разработанные аппаратные контроллеры позволяют в будущем использовать в данных целях металлооксидные датчики с энергопотреблением порядка 1 мВт [15].
Важной задачей являлось обеспечение удобства пользования системой. Для повышения эргономич-ности была разработана функция "горячей замены" цифровых датчиков в системе. Внимание уделялось не только программному обеспече-
Рис. 4. Программное обеспечение мультисенсорной системы
Рис. 5. Пользовательский интерфейс мультисенсорной системы
Рис. 6. Внешний вид верхней части печатной платы мультисенсорной системы с держателями, предотвращающими поломку электрических контактов в ходе "горячей замены" цифровых датчиков
нию данной функции, но и исключению механических ошибок в ходе операции замены. Держатели, предотвращающие поломку электрических соединительных контактов в ходе "горячей замены" датчиков, показаны на рис. 6.
Другим эргономическим преимуществом системы является отсутствие необходимости установки дополнительного программного обеспечения; работать можно напрямую в любом распространенном интернет-браузере (Opera, Google Chrome, etc.). Однако, в данном подходе существует скрытый конфликт между ценой и качеством продукта. Так, использование недорогого 8-битного микроконтроллера с малым объемом оперативной памяти [16] приводит к ограниченным возможностям пользовательского интерфейса, а также к ограниченному числу точек измерения газовых концентраций и технических настроек, хранящихся в памяти. В дальнейших планах по улучшению системы намечено применение более мощного микроконтроллера. Стоимость системы при этом изменится незначительно, поскольку ее наиболее дорогой составляющей является газовый датчик, который более, чем на порядок, дороже микроконтроллера.
Также предоставляется возможность автономной работы системы.
Для этого на корпусе имеются све-тодиоды, отображающие статус работы и наличие источника питания. В системе имеется звуковая сигнализация, срабатывающая в зависимости от пороговых настроек концентраций пожароопасных и токсичных газов, контролируемых цифровыми датчиками.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана, изготовлена и испытана мультисенсорная система с беспроводным каналом, работающая одновременно с четырьмя различными цифровыми датчиками. Для передачи данных система используе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.