УНИВЕРСАЛЬНАЯ ЦИФРОВАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ ИНТЕГРАЦИИ ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ РАЗНОГО ТИПА

Полезная модель относится к области контроля параметров газовой среды и предназначено для автоматического контроля концентрации взрыво-, пожаро- и токсично-опасны газов в атмосфере жилых помещений, внутри и на территории промышленных объектов, а также в атмосфере горных выработок и выдачи как индивидуальной сигнализации при достижении измеряемым компонентом установленных пороговых значений концентраций, так и передачи данных по беспроводной сенсорной сети на диспетчерский пункт контроля.
Известна универсальная цифровая платформа для установки, интеграции, газовых сенсоров, содержащая газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, приемопередатчик, микропроцессорный модуль для управления режимами работы устройства, схему питания сенсора и устройства в целом, автономное питание (см.напр. патент РФ 111675, МПК G01N 33/00, опубл. 20.12.2011).
Недостатком известной платформы является отсутствие возможности интеграции газовых сенсоров различного типа и возможность их совместной и/или раздельной работы.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции известной платформы, обеспечивающей интеграцию газовых сенсоров разного типа, для обеспечения газового мониторинга многокомпонентных газовых смесей.
2
2
2
Поставленная задача решается тем, что универсальная цифровая платформа для интеграции газовых сенсоров разного типа, содержащая газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, приемопередатчик, микропроцессорный модуль для управления режимами работы устройства, схему питания сенсора и устройства в целом, автономное питание, выполнена с возможностью подключения сенсоров с аналоговым и цифровым выходом, а все входы сенсоров подлечены к переключателю, который в свою очередь связан с микроконтроллером и может содержать каталитические или полупроводниковые сенсоры горючих газов, электрохимические сенсоры СО, HS и NO и оптический сенсор СО с цифровым выходом, а питание осуществлять от аккумуляторов, батарей, альтернативных источников энергии и их комбинации.
2
2
2
Поскольку универсальная цифровая платформа выполнена с возможностью подключения сенсоров с аналоговым и цифровым выходом, а все входы сенсоров подлечены к переключателю, который в свою очередь связан с микроконтроллером и может содержать каталитические или полупроводниковые сенсоры горючих газов, электрохимические сенсоры СО, HS и NO и оптический сенсор СО с цифровым выходом, а питание осуществлять от аккумуляторов, батарей, альтернативных источников энергии и их комбинации, обеспечивается интеграция газовых сенсоров разного типа, предназначенных для построения
энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей, а также расширение арсенала технических средств газового мониторинга.
На графическом материале показана блок-схема универсальной цифровой платформы для интеграции газовых сенсоров разного типа.
Устройство состоит из источника питания 1, преобразователя напряжения 2, приемопередатчика 3, микроконтроллера (МК) 4, блока переключения сенсоров 5, сенсоров газа 6-9, линий связи для передачи данных от сенсоров к микроконтроллеру 10.
В качестве источника питания 1 могут использоваться аккумуляторы, батареи, альтернативные источники энергии и их комбинация. Выходное напряжения источника питания 1 преобразуется в требуемое значение с помощью DC-DC преобразователя напряжения 2. Полученным напряжением осуществляется питание остальных элементов устройства.
Микроконтроллер 4 выполняет управление устройством, обработку и передачу данных. Передача данных осуществляется по беспроводному каналу с помощью приемопередатчика 3.
Для осуществления мониторинга концентраций газов устройство использует не менее 4 сенсоров различных типов. К устройству могут быть подключены сенсоры следующих типов: термокаталитические 6, полупроводниковые 7, электрохимические 8 и сенсоры с цифровым выходом 9 любых типов, например, оптические.
Блок переключения 5 сенсоров 6-9 позволяет переключать сенсоры 6-9, включая и выключая их. Включенный сенсор готов к проведению измерений. Выходной сигнал от сенсоров 6-9 может поступать по линиям связи 10 в МК как в аналоговом, так и в цифровом виде.
Блок переключения обеспечивает подачу напряжения питания на сенсоры или перевод их в энергосберегающий режим (в зависимости от типа сенсора) и коммутацию управляющих сигналов микроконтроллера. Управление блоком осуществляется микроконтроллером по заданному алгоритму.
В качестве блока переключения может быть использована комбинация аналоговых демультиплексоров или аналоговых ключей. В процессе проведения измерений
Устройство может использоваться как в качестве индивидуального сигнализатора, так и в составе беспроводных сенсорных сетей, поддерживающих технологию Zigbee.
При работе в качестве индивидуального сигнализатора устройство может быть оснащено световой сигнализацией и звуковым сигнализатором.
Устройство представляет собой беспроводной мультисенсорный датчик с автономным питанием от батарей, который предназначен для мониторинга токсичных и взрывоопасных газов в воздухе и предупреждения чрезвычайных ситуаций, в частности, для предотвращения пожаров. Устройство предназначено для работы в составе беспроводных сенсорных сетей [1, 2].
Основным элементом датчика является микроконтроллер ATxmega32A4 (4), который управляет функционированием устройства по заложенному в его память алгоритму.
Обмен данными с диспетчерским пультом (или эквивалентным по назначению устройством получения и отражения данных мониторинга) осуществляется с помощью модема ETRX3 (3) стандарта ШЕЕ 802.15.4 (ZigBee) на частоте 2,4 ГГц.
В качестве элементов питания используются 2 литиевые батареи типа Д с суммарным напряжением 7.2 В (1). Для питания датчика требуется напряжение 3 В. Для получения этого напряжения используется понижающий DC-DC преобразователь TPS63 060 (2).
Все электронные компоненты устройства подобраны исходя из возможности обеспечения минимального энергопотребления как в рабочем режиме, так и режиме ожидания (режиме сна). Данный подбор необходим для увеличения времени автономной работы без замены комплекта батарей.
Устройство включает в себя следующие сенсоры:
- каталитический сенсор метана (6) [3];
- полупроводниковый сенсор для детектирования продуктов пиролиза (водорода и монооксида углерода) (7) [4];
- электрохимический сенсор оксида азота (8) (NE4-NO, Nemoto [5]);
- цифровой оптический сенсор диоксида углерода (9) (MIPEX-02-3 [6]).
Каталитический, полупроводниковый и электрохимический сенсоры являются сенсорами с аналоговыми выходами. Оптический сенсор имеет цифровой выход UART при помощи которого он по линии связи 10 подключается к МК 4. Аналоговый сигнал от сенсоров поступает по линиям связи 10 на АЦП МК 4 для преобразования в цифровой сигнал. МК 4 обрабатывает полученные данные и принимает решение о их дальнейшей отправке на диспетчерский пульт посредством приемопередатчика 3.
Устройство функционирует следующим образом. После включения питания, напряжение батарей 1 через ДС-ДС преобразователь 2 подается на МК 4, приемопередатчик 3 и блок переключения 5 сенсоров 6-9. При этом в первоначальный момент МК 4, приемопередатчик 3 и блок переключения 5 находятся в выключенном состоянии. При поступлении напряжения на МК 4 активируется программное обеспечение (ПО). МК 4 переходит в активный режим, переводит приемопередатчик 3 в спящий режим (режим ожидания) работы и, по заданному алгоритму, подключает питание необходимого сенсора (путем замыкания контактов в блоке 5). Измерения проводятся последовательно путем выбора необходимого сенсора. Ключевым элементом блока 5 является аналоговый демультиплексор CD74HC4051-EP, на который от МК 4 подается управляющий сигнал. Сенсоры, не используемые для проведения измерений, находятся в выключенном состоянии или режиме ожидания (в зависимости от методики проведения измерений).
Принцип работы устройства основан на микропрограммном обеспечении, заложенном в микроконтроллере. С целью энергосбережения измерения концентрации газов всеми сенсорами устройства проводятся в периодическом режиме: режим измерения- спящий режим - режим измерения. Длительность спящего режима задается программно и зависит наличия/присутствия измеряемого компонента в воздухе. Первоначально длительность спящего режима составляет 1 минута для всех сенсоров. При наличии измеряемого компонента в воздухе, длительность спящего режима сокращается до 15 секунд для сенсора, который детектирует это присутствие.
При измерении концентрации метана, оксида азота и диоксида углерода устройство работает как двухпороговое устройство. Первый порог предупреждение, второй - опасность.
В случае пиролиза, устройство работает как индикатор наличия продуктов пиролиза, что может подразумевать наличия очага тления. Отправка данных на диспетчерский пульт выполняется при превышении 1 и 2-го порогов и наличия продуктов пиролиза.
Средняя потребляемая устройством мощность в нормальном режиме работы не превышает 10 мВт. От двух литиевых батарей типа Д с напряжением 3.6 В устройство проработает не менее 1-го года.
[1] Патент РФ №110205, Беспроводная сенсорная сеть, Баранов A.M., Слепцов В.В., Савкин А.В., Шмидт Е.И., Спирякин Д.Н., Баранов М.А.
[2] Andrey Somov, Alexander Baranov, Denis Spirjakin, Andrey Spirjakin, Vladimir Sleptsov, Roberto Passerone Deployment and evaluation of a wireless sensor network for methane leak detection, Sensors and Actuators A: Physical-Volume 202, 1 November 2013, Pages 217-225.
[3] E.E. Karpov, E.F. Karpov, A. Suchkov, S. Mironov, A. Baranov, V. Sleptsov, L. Calliari, "Energy efficient planar catalytic sensor for methane measurement, Sensors and Actuators", Sensors and Actuators A: Physical, vol. 194, pp. 176-180, May 2013.
[4] Nikolay Samotaeva, Alexey Vasiliev, Alexander Pisliakov, Andrey Sokolov, Detection of Smokeless Pyrolysis of Organic Materials by Metal, Oxide Gas Sensor Procedia Engineering 87 (2014) 1322 - 1325.
[5] http://www.nemoto.eu/
[6] http://mipex-tech.com/en/infrared-sensors.html