УДК 504.064:331.453
АВТОНОМНОЕ БЕСПРОВОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА КОНЦЕНТРАЦИИ CO1
DEVELOPMENT OF WIRELESS SENSOR NODE OF CO WITH INDEPENDENT POWER SUPPLY
Спирякин Денис Николаевич
научный сотрудник
E-mail: denis.spirjakin@gmail.com
Тхань Фонг Ку
аспирант
E-mail: thanhphongkshk@gmail.com
"МАТИ" — Российский государственный
технологический университет
им. К. Э. Циолковского, г. Москва
Аннотация: Представлен автономный беспроводной датчик СО, предназначенный как для автономного применения, так и для работы в составе беспроводных сенсорных сетей стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee). Описана электрическая схема и принцип работы датчика.
Ключевые слова: беспроводные сенсорные сети, концентрация CO, концентрация газа, электрохимический сенсор.
Spiryakin Denis N.
Associate Researcher
E-mail: denis.spirjakin@gmail.com
Cu Thanh Phong
Postgraduate
E-mail: thanhphongkshk@gmail.com
MATI — Russian State Technological University named after K. E. Tsiolkovsky, Moscow
Abstract. The article presents an autonomous wireless monoxide alarm intended as for individual use as well as in wireless sensor networks of IEEE 802.15.4 (ZigBee). Described his electric circuit and operation.
Keywords: wireless sensor networks, carbon monoxide concentration, gas concentration, electrochemical sensor.
В настоящее время все более актуальной становится задача контроля качества воздуха, которая включает в себя контроль концентрации углеводородов, СО и углекислого газа, кислорода и других газов как в жилых домах и промышленных помещениях, так и на открытых пространствах [1, 2].
Наиболее эффективно мониторинг газового состава окружающей среды может быть осуществлен путем развертывания беспроводных сенсорных сетей, охватывающих большие территории и обеспечивающих непрерывный контроль наличия горючих, токсичных и взрывоопасных газов [3—5].
1 Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы "Развитие
электронной компонентной базы и ра-
диоэлектроники", ГК № 14.427.11.0007.
Среди известных стандартов беспроводной передачи данных наиболее подходящим для решения этой задачи является стандарт IEEE 802.15.4 ZigBee [6]. В частности, спецификация ZigBee разработана именно под мало потребляющие сенсорные сети и рассчитана на передачу небольших пакетов информации. Другие стандарты организации сетей при мониторинге концентрации газов, такие как WiFi [10], потребляют значительно больше энергии и требуют значительного объема памяти для размещения стека, что делает их менее пригодными для использования в автономных беспроводных устройствах мониторинга окружающей среды.
Основным функциональным компонентом беспроводных сенсорных сетей для мони-
торинга газового состава являются беспроводные устройства мониторинга концентраций газов [7]. В данной статье представлены результаты разработки автономного беспроводного устройства мониторинга угарного газа, предназначенного как для индивидуального использования, так и в составе беспроводных сенсорных сетей стандарта IEEE 802. 15. 4 ZigBee.
В России приняты следующие нормы предельно допустимых концентраций СО для воздуха населенных пунктов и рабочей зоны промышленных предприятий:
— населенные пункты: предельно допустимые концентрации СО (ПДК) 3 мг/м3 (~2,6 ppm при 20 °С и давлении 1 бар); ПДК СО разовая 5 мг/м (~4,3 ppm при 20 °С и давлении
Рис. 1. Схема беспроводного устройства мониторинга концентрации СО
Рис. 2. Схема электрохимического сенсора СО и реакций, протекающих на электродах
1 бар) (ppm — миллионная доля).
— промышленные предприятия: ПДК СО 20 мг/м3 (~17 ppm при 20 °С и давлении 1 бар).
Беспроводное устройство мониторинга концентрации СО состоит из следующих основных частей: датчика СО с аналоговой измерительной схемой, схемы питания датчика от двух батарей напряжением от 1,5 В до 3,6 В каждая, приемопередатчика стандарта IEEE 802.15.4 ZigBee и микроконтроллера, управляющего всеми функциями датчика. Схема беспроводного устройства мониторинга концентрации СО приведена на рис. 1.
Основные алгоритмы работы беспроводного устройства и протоколы передачи данных реализуются программно с помощью микроконтроллера ATXMEGA32A4.
В беспроводном устройстве мониторинга используется технология передачи данных ZigBee и осуществляется передача данных по протоколу BACnet. Для передачи данных используется микросхема ZigBee модема ETRX3, реализующая технологию ZigBee, а протокол передачи данных реализуется программой микропроцессора. Беспроводной датчик предназначен для работы в составе беспроводных сенсорных сетей. Передача данных о концентрации СО в контролируемом месте осуществляется на координатор сенсорной сети, в качестве которого может выступать компьютер с подключенным USB Zigbee модемом или отдельное устройство, имеющее звуковую и световую сигнализацию. Дальность
передачи данных зависит от типа используемых антенн и пространства, в котором проводятся измерения. На открытых пространствах дальность передачи данных превышает 300 м. Связь между микроконтроллером и модемом осуществляется по интерфейсу UART. Более подробно цифровая часть описана в статье [8].
Питание датчика осуществляется от батарей через DC-DC преобразователь TPS63060, способный поддерживать требуемое напряжение питание при изменении входного напряжения от 2,5 до 12 В.
В качестве датчика СО был использован датчик NAP-505
(№шо1;о), работающий в ам-перометрическом режиме [9]. Принцип действия датчика основан на том явлении, что, если к электродам приложить определенный потенциал, соответствующей окислению или восстановлению определяемого вещества, то сила тока в ячейке будет пропорциональна его концентрации. Для проведения точных амперометрических исследований в электрохимические сенсоры включают три электрода: рабочий, вспомогательный и электрод сравнения (рис. 2). Электрод сравнения необходим для поддержания напряжения между рабочими электродами неизменным. Газ проникает
внутрь сенсора через газопроницаемую мембрану и угольный фильтр, который не пропускает неконтролируемые газы. Реакция взаимодействия происходит на трехфазной границе раздела электролит—газ—катализатор.
В результате протекания реакции окисления СО в сенсоре СО протекает ток, значение которого зависит от концентрации СО (рис. 3). Измерение тока осуществляется путем подключения сенсора к электрической схеме, которая представлена на рис. 4.
Измеряемым параметром является напряжение на выходе 1 (SENS) операционного усилителя OPA2369, выход которого подключен к АЦП микроконтроллера (МК) ATXMEGA32A4 для определения концентрация СО.
Увеличить время автономной работы от батарей можно путем установления циклического режима проведения измерений концентрации СО в воздухе. При нормальных условиях работы для стабилизации выходного напряжения на датчике СО требуется 1—2 мин. В этом случае длительность проведения измерений должна быть не менее 2 мин. Однако, если рабочий и сравнительный электрод замыкают между собой на время, когда питание выключено, стабилизация выходного сигнала осуществляется в течение 10 с после включения питания (таким образом, минимальное время измерения составляет 10 с). В промежутках между измерениями микроконтроллер переводит датчик в спящий режим на заданное время.
Таким образом, в устройстве реализованы три режима: режим измерения концентрации, ре-
2000 1800 1600 1400 1200 1000 8000 600 400 200 0
II пор ог
1 п ОрОг
0
10 15 20 25 30 35 Концентрация газа, ррт
40 45
50
Рис. 3. Зависимость тока от концентрации СО
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема для измерения концентрации CO
жим передачи данных и "спящий" режим.
Управление режимом работы измерительной схемы осуществляется с помощью ADG801BRM и MOSFET IRLML6032, подключенного к выходу МК (линия SS) и обеспечивающего переход между активным и спящим режимами измерительной схемы. В основном состоянии ("спящий режим") MOSFET IRLML6032 закрыт, напряжение VAA не подается и напряжение на выходе 1 (SENS) также отсутствует. Блок ADG801BRM обеспечивает замыкание и размыкание электродов, когда измерительная схема переключается между активным и спящим режимами работы.
Величина ПДК для СО составляет 20 мг/м3. Беспроводной датчик СО работает в двух-пороговом режиме. Полученное значение концентрации СО сравнивается с заранее заданными пороговыми значениями, хранящимися в памяти микроконтроллера (5 и 20 мг/м3). Если концентрация СО меньше 5 мг/м3 микроконтроллер переводит датчик в режим энергосбережения (спящий режим) и передача данных не осуществляется. Если концентрация СО находится в диапазоне от 5 до 20 мг/м3, то звучит звуковой сигнал датчика, предупреждающий о наличии повышенной концентрации СО, микроконтроллер активирует приемопередатчик и на координатор сети передаются данные о превышении первого порога концентрации СО.
Если концентрация СО превысит 20 мг/м , то на датчике активируется световая и звуковая сигнализация о превыше-
нии значения ПДК, микроконтроллер активирует приемопередатчик и на координатор сети передаются данные о превышении второго порога концентрации СО.
Измерения концентрации СО проводятся в периодическом режиме по следующему алгоритму. Основное время датчик находится в спящем режиме, измерения не проводятся. Поскольку после выхода микроконтроллера из спящего режима и подачи питания на сенсор могут наблюдаться переходные сигналы, то рабочий и сравнительный электроды замыкают между собой на время, когда питание выключено. В этом случае стабилизация выходного сигнала осуществляется в течение 10 с после включения питания (таким образом, минимальное время измерения составляет 10 с).
Затем проводится измерение концентрации СО и выполняется передача полученных данных на координатор сенсорной сети. Далее микроконтроллер переводит датчик в спящий режим. Измерения концентрации СО проводятся раз в минуту. Для уменьшения энергопотребления в течение 10-ти секундного выхода на рабочий режим микроконтроллер переходит в спящий режим, т. е. фактически все вре
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.