Измеритель массовой концентрации пылевых частиц

Полезная модель относится к измерительным приборам, в частности к приборам для измерения запыленности воздуха, а именно к измерителям массовой концентрации пылевых частиц.
Известен беспроводной датчик пыли (патент CN 206847681 U), включающий внешний защитный корпус, характеризующийся тем, что указанный внешний защитный корпус снабжен интегральной схемой, указанная интегральная схема снабжена модулем питания, центральным процессором, датчиками влаги, температуры и пыли, ЖК-дисплеем, светодиодным индикатором, общим переключателем, переключателем ЖК-дисплея, интерфейсом антенны; указанный внешний защитный корпус включает верхнюю крышку, нижнюю панель, соединенную с верхней крышкой, боковая панель и задняя панель, установленная между верхней крышкой и нижней панелью, указанная верхняя крышка снабжена ЖК-дисплеем, светодиодным индикатором, нижняя панель снабжена отверстием для теплоотвода, отверстием для подвешивания и нескользящим ковриком, задняя панель снабжена кнопкой общего переключателя, кнопкой переключения ЖК-дисплея, отверстие интерфейса зарядки USB, антенна и указанный модуль питания включает аккумулятор, плату защиты аккумулятора, зарядное устройство, регулятор напряжения, усилитель, интерфейс зарядки USB, указанный интерфейс зарядки USB подвижно соединен с кабелем зарядки USB. Выход датчика пыли подключен к входу центрального процессора, выход центрального процессора подключен к входу светодиодного индикатора, ЖК-дисплея, последовательного отладочного интерфейса, а радиочастотная цепь подключена к центральному процессору. Центральный процессор выполнен в виде микроконтроллера типа СС2530, датчик пыли выполнен в виде ультратонкого цифрового датчика PMS7003, принцип работы которого основывается на лазерном рассеивании, т.е. использовании лазера для излучения взвешенных частиц в воздухе, а затем сбора данных рассеянных фотонов, и, наконец, получении кривой изменения рассеивающего света во времени. Эквивалентный диаметр частиц и количество частиц с различным диаметром на единицу объема рассчитывается с помощью центрального процессора.
Недостатком известного решения является то, что датчик работает постоянно, а это сказывается на сокращении времени его автономной работы. Кроме того, устройство работает на технологии ZigBee, что не позволяет удаляться от базовой станции на расстояние свыше 75 метров. Исполнение устройства имеет отверстия на боковых гранях устройства на нижней крышке и на задней части корпуса, где расположены кнопки и USB выход. Из-за чего данное устройство не может быть использовано для измерения концентрации пыли вне помещения, выпадение осадков выведет устройство из строя.
Наиболее близким решением (прототипом) является измеритель, система и способ измерения массовой концентрации пылевых частиц (патент RU №2709410), где измеритель содержит корпус измерителя, печатную плату с микроконтроллером, соединенные с ними, по крайней мере, два датчика пыли и выходной интерфейс измерителя, отличающийся тем, что дополнительно содержит нагревательный элемент и вентилятор, которые электрически соединены с микроконтроллером; по крайней мере, один входной канал, соединенный с датчиками пыли, по крайней мере, один выходной канал, по крайней мере, один датчик температуры входного потока. Корпус измерителя снабжен теплоизоляцией. Датчики пыли снабжены нефелометрами. Входное отверстие входного канала и выходное отверстие выходного канала снабжены фильтрами. Выходной канал снабжен, по крайней мере, одним датчиком температуры выходного потока. Измеритель дополнительно снабжен датчиками температуры окружающего воздуха, влажности и атмосферного давления. Система для измерения массовой концентрации пылевых частиц содержит устройство для передачи данных, по крайней мере, с одним входным отверстием, по крайней мере, одним выходным отверстием, при этом устройство снабжено аккумулятором, источником питания, соединенными с коммуникационным блоком, включающим контроллер, соединенный, по крайней мере, с одним входным интерфейсом устройства, по крайней мере, одним выходным интерфейсом устройства, модулем энергонезависимой памяти, модулем беспроводного соединения, модулем часов реального времени, GSM-антенной и GPS-антенной, измеритель массовой концентрации пылевых частиц и расположенный внутри корпуса устройства для передачи данных, при этом входные каналы и выходные каналы измерителя массовой концентрации пылевых частиц соединены с входными и выходными отверстиями устройства для передачи данных. Устройство для передачи данных содержит дополнительный входной интерфейс устройства. Устройство для передачи данных содержит дополнительный выходной интерфейс устройства. Модуль энергонезависимой памяти выполнен с возможностью записи измеренной массовой концентраций пылевых частиц, даты и времени измерения и последующего их запроса. Измеряют массовую концентрацию пылевых частиц, имеющих размер менее 2,5 мкм и в диапазоне до 10 мкм.
Недостатками прототипа является сложная конструкция, которая вследствие повышенного количества конструктивных элементов, например, таких как нагреватель, увеличивает вес конструкции и повышает энергопотребление. В качестве беспроводного соединения используется связь GSM, приемопередатчики для данного типа связи имеют высокое потребление и не позволяют передавать данные в зоне отсутствия сотовой связи, что понижает автономность и мобильность устройства.
Для заявленной полезной модели выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: измеритель массовой концентрации пылевых частиц, содержащий корпус измерителя, в котором размещена печатная плата, электрически связанные с ней аккумулятор, источник питания, микроконтроллер, электрически связанные с микроконтроллером дисплей, модуль энергонезависимой памяти, модуль беспроводного соединения, часы реального времени и GPS/GLONASS-приемник.
Техническими проблемами полезной модели являются сложная конструкция измерителя, высокое энергопотребление и невозможность получение данных в реальном времени в зоне отсутствия сотовой связи.
Заявленная полезная модель обеспечивает получение нескольких технических результатов, связанных причинно-следственной связью:
- упрощение конструкции измерителя;
- увеличение автономности устройства при измерении пылевой загрязненности воздуха без подключения к источнику постоянного тока;
- возможность получать данные о запыленности воздуха в реальном времени в местах отсутствия сотовой связи.
Техническая проблема решается тем, что модуль беспроводного соединения выполнен на основе типе беспроводной передачи данных LoRaWAN. Данный модуль выполнен с возможностью перехода в энергосберегающий режим. Улучшена схема электропотребления устройства: часы реального времени встроены в микроконтроллер; датчик пыли электрически связан с микроконтроллером через переключатель распределения питания датчика, выполненный с возможностью подачи электропитания на датчик путем переключения микроконтроллером упомянутого переключателя; GPS/GLONASS приемник электрически соединен с микроконтроллером через переключатель распределения питания приемника, выполненный с возможностью подачи электропитания на приемник путем переключения микроконтроллером упомянутого переключателя. Дисплей электрически связан с микроконтроллером через переключатель распределения питания дисплея, выполненный с возможностью подачи электропитания на дисплей путем переключения микроконтроллером упомянутого переключателя. В качестве модуля энергонезависимой памяти использована uSD карта.
Заявленный измеритель массовой концентрации пылевых частиц представлен на фигурах 1-3, где на фиг. 1 и 2 схематически изображен измеритель, на фиг. 3 - принципиальная блок-схема.
Измеритель массовой концентрации пылевых частиц выполнен в виде компактного устройства, содержащего корпус (1), в котором размещена печатная плата (2) с микроконтроллером (3). Печатная плата (2) электрически соединена, по меньшей мере, с одним аккумулятором (4), источником питания (5), разъемом (6) для подключения внешнего блока питания. Устройство содержит контроллер заряда аккумуляторов (18), который при подаче постоянного напряжения питания осуществляет заряд аккумулятора (4) для автономной работы в условиях, когда внешнее питание пропало или не представляется возможным к подключению.
Микроконтроллер (3) электрически связан:
- со встроенными в микроконтроллер (3) часами реального времени (на фиг. не показаны);
- с модулем энергонезависимой памяти (8), в качестве которого используется, например, uSD карта, преимуществом которой является простая замена при выходе из строя, а также возможность извлечения без специализированных средств для переноса записанных данных на электронное устройство;
- с модулем беспроводного соединения (9) типа LoRa/LoRaWAN по интерфейсу двусторонней связи UART. Модуль беспроводного соединения (9) электрически соединен с разъемом антенны LoRa/LoRaWAN (12). Модуль LoRa/LoRaWAN обладает возможностью передачи данных на расстояние до 15 км, а также имеет низкое энергопотребление. При переходе в режим энергосбережения потребление энергии падает на 3 порядка вплоть до 2 мкА. Так как подавляющую часть времени модуль находится в энергосберегающем режиме, то это благоприятно сказывается на автономности устройства;
- с GPS/GLONASS приемником (10) по интерфейсу двусторонней связи UART и электрически связанным с GPS/GLONASS-антенной (14). Вход GPS/GLONASS приемника (10) связан с выходом микроконтроллера (3) через переключатель распределения питания (15). Микроконтроллер (3) подает питание на GPS/GLONASS приемник (9) путем переключения переключателя распределения питания (15);
- с датчиком пыли (11) по интерфейсу двусторонней связи UART, в качестве датчика можно использовать, например, датчик PMSX003N, который осуществляет измерение массовой концентрации пылевых частиц в атмосферном воздухе в диапазоне РМ 2.5 и РМ 10. Вход датчика пыли (11) электрически связан с выходом контроллера (3) через переключатель распределения питания (13). Микроконтроллер (3) подает питание на датчик пыли (11) путем переключения переключателя распределения питания (13);
- с дисплеем (16), например, OLED, по интерфейсу двусторонней связи I2C, вход которого связан с выходом микроконтроллера (3), через переключатель распределения питания (17). Микроконтроллер (3) подает питание на дисплей (16) путем переключения переключателя распределения питания (17).
Измеритель работает следующим образом. Подача питания на печатную плату (2) происходит путем замыкания выключателя (7). Измерение концентрации пылевых частиц датчиком (11) происходит через интервал времени, который задается с uSD карты (8) и отсчитывается в микроконтроллере (3) с помощью встроенных часов реального времени (на фиг. не показаны). После достижения времени, необходимого для начала измерения, микроконтроллер (3) с помощью переключателя распределения питания (13) подает питание на датчик пыли PMSX003N (11). После достижения времени, необходимого для получения достоверных данных, микроконтроллер (3) производит запрос на считывание данных и через переключатель распределения питания (13) отключает подаваемое питание на датчик пыли PMSX003N (11) до следующего измерения.
Для синхронизации часов реального времени, встроенных в микроконтроллер, с временем по Гринвичу, используется модуль GPS/GLONASS (10), который также позволяет определять географическое положение устройства. При запуске устройства, на модуль GPS/GLONASS, с помощью переключателя распределения питания (15), подается необходимое напряжение питания. После получения географических координат и времени по Гринвичу, микроконтроллер (3) производит синхронизацию часов реального времени, а так же снимает напряжение питания с модуля GPS/GLONASS (10) через переключатель распределения питания (15). Через заданный интервал, например, 6 часов синхронизация повторяется.
Для оперативного определения состояния устройства, оно оснащено дисплеем (16). Для повышения энергоэффективности, дисплей (16) находится в отключенном состоянии, отображение информации происходит после нажатия на кнопку (19), которая находится на корпусе (1), микроконтроллер (3) через переключатель распределения питания (17) включает дисплей (16), после чего происходит отображение информации, и дисплей автоматически отключается через переключатель распределения питания (17).
Измеренные данные сохраняются на uSD карту (8), содержат информацию о концентрации пылевого аэрозоля, дате и времени измерения, серийном номере устройства, состоянии устройства, типе питания и актуальном заряде аккумулятора (4). Кроме того, в момент синхронизации по модулю GPS/GLONASS (10), на uSD карту (8) сохраняются географические координаты устройства. uSD карта (8) позволяет не потерять измеренные данные при выходе из строя модуля беспроводного соединения LoRa/LoRaWAN (9).
Передача данных на сервер осуществляется с помощью модуля беспроводного соединения LoRa/LoRaWAN (9). Модуль работает по классу энергетической эффективности «А» - является инициатором передачи данных. После передачи данных, в течение непродолжительного промежутка времени, ожидает приема данных, после чего отключает радиоканал и переходит в энергосберегающий режим. Все остальное время модуль находится в энергосберегающем режиме.