БЕСПРОВОДНЫЙ МУЛЬТИГАЗОВЫЙ ДАТЧИК С УДАЛЕННОЙ АКТИВАЦИЕЙ ПО РАДИОСИГНАЛУ

Область техники, к которой относится полезная модель
Устройство относится к области контроля параметров газовой среды и предназначено для мониторинга концентрации взрыво-, пожаро- и токсично-опасных газов в атмосфере жилых помещений, внутри и на территории промышленных объектов, а также выдачи не только индивидуальной сигнализации при достижении измеряемым компонентом установленных пороговых значений, но и передачи данных по беспроводной сенсорной сети на диспетчерский пункт контроля.
В частности, изобретение может найти применение:
4
- в качестве беспроводного газового датчика для контроля утечек метана (СН) в газифицированных многоквартирных и индивидуальных домах и на объектах нефте-газового хозяйства;
2
2
- в качестве беспроводного газового датчика для мониторинга химического состава воздуха (в частности, для мониторинга токсичных газов, таких как, угарный газ СО, сероводород НS, двуокись азота NO);
- в качестве в качестве устройства мониторинга газового состава воздуха при построении беспроводных сенсорных сетей.
Уровень техники
Известен беспроводный газовый датчик, содержащий газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, приемопередатчик, микропроцессорный модуль для управления режимами работы устройства, схему питания сенсора и устройства в целом, автономное питание (патент РФ 111675, МПК G01N 33/00, опубл. 20.12.2011).
Недостатком данного устройства является то, что принцип работы устройства основан на микропрограммном обеспечении, заложенном в микроконтроллере. С целью энергосбережения измерения концентрации газов проводятся в периодическом режиме: режим измерения- спящий режим - режим измерения. Продолжительность режима нагрева сенсора и время измерения составляет порядка 1 с. Продолжительность спящего режима определяется техническими требованиями. Типичными являются значения в интервале от 10 до 60 с. При этом возможность вывода устройства из спящего режима путем поступления радиокоманды от внешнего передатчика отсутствует. Кроме того, недостатком известной платформы является отсутствие возможности интеграции газовых сенсоров различного типа и возможность их совместной и/или раздельной работы.
Наиболее близким к описываемому устройству является беспроводный мультисенсорный датчик (Патент РФ №160116, МПК G01N 33/00, опубл. 10.03.16) с автономным питанием, содержащий газовые сенсоры с аналоговым и цифровым выходом, подключенные к переключателю, аналоговую измерительную часть, приемопередатчик, микропроцессорный модуль для управления режимами работы устройства и схему питания устройства от аккумуляторов, батарей, альтернативных источников энергии и их комбинации.
Данное устройство позволяет проводить мониторинг многокомпонентных газовых смесей. 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 программой и зависит присутствия измеряемого компонента в воздухе. В спящем режиме все функции отключены, кроме встроенного таймера микроконтроллера. 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. Таким образом, большую часть времени устройство находиться в спящем режиме.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности выводить устройства из спящего режима или переводить его из рабочего режима работы (режима проведения измерений) в сервисный режим работы (например, для передачи накопленных в памяти микроконтроллера данных или перепрограммирования) по команде от внешнего радиопередатчика.
Раскрытие полезной модели
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции известного беспроводного мультигазового датчика для обеспечения возможности удаленной активации устройства за счет детектирования им внешнего управляющего высокочастотного ВЧ-сигнала. Для решения данной задачи к входу внешнего прерывания микроконтроллера подключена схема преобразования высокочастотного сигнала в постоянное напряжение (ВЧ-контур), обеспечивающая вывод датчика из спящего режима или режима проведения измерений, при детектировании внешнего радиосигнала заданной мощности и перевод датчика в другой режим работы, например, передачи накопленных в памяти микроконтроллера данных. Возможность удаленной активации путем передачи на него радиосигнала позволяет изменять алгоритмы и режимы работы устройства, в частности, выводить его из спящего режима.
Поставленная задача решается тем, что беспроводный мультигазовый датчик, содержащий сенсоры с аналоговым и цифровым выходом, подключенные к переключателю, аналоговую измерительную часть, приемопередатчик, микроконтроллер для управления режимами работы устройства, схему питания сенсора и устройства в целом, источник автономного питания. При этом к входу внешнего прерывания микроконтроллера подключен ВЧ-контур, обеспечивающий вывод датчика из спящего режима при детектировании внешнего радиосигнала заданной мощности и перевод датчика в режим передачи накопленных в памяти микроконтроллера данных. При этом ВЧ-контур состоит из антенны, резонансного контура, детектора и компаратора; датчик содержит электрохимический цифровой сенсор угарного газа, полупроводниковый сенсор сероводорода, электрохимический сенсор двуокиси азота и термокаталитический каталитический сенсор метана.
Поскольку беспроводный мультигазовый датчик выполнен с возможностью удаленной активации путем передачи на него внешнего радиосигнала, обеспечивается совершенствование конструкции устройства и расширение его функции при выполнении мониторинга состава газовой среды.
Фактически беспроводный мультигазовый датчик становиться радиоуправляемым устройством, которое, при регистрации внешнего радиосигнала, может не только выйти из спящего режима, но и запустить дополнительные подпрограммы, а также и быть перепрограммированным.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана принципиальная блок-схема беспроводного мультигазового датчика. Устройство состоит из источника питания 1, преобразователя напряжения 2, приемопередатчика 3, микроконтроллера 4, блока переключения сенсоров 5, сенсоров газа 6-9, линий связи для передачи данных от сенсоров к микроконтроллеру 10. Для приема радиосигнала от внешнего передатчика к входу внешнего прерывания микроконтроллера подключен ВЧ-контур, включающий собственную антенну 11, резонансный контур для настройки на определенную частоту 12, детектор 13 и компаратор 14.
В качестве источника питания 1 могут использоваться аккумуляторы, батареи, альтернативные источники энергии и их комбинация. Микроконтроллер 4 выполняет управление устройством, обработку и передачу данных. Кроме того, в памяти микроконтроллера хранятся измеренные значения концентрации соответствующих газов. Передача данных осуществляется по беспроводному каналу с помощью приемопередатчика 3. К устройству могут быть подключены сенсоры следующих типов: термокаталитический 6, полупроводниковый 7, электрохимический 8 и сенсор любого типа с цифровым выходом 9. Устройство работает по программе, заложенной в памяти микроконтроллера, которая управляет подключением (коммутацией) сенсоров 6-9, включая и выключая. Включенный сенсор готов к проведению измерений. Выходной сигнал от сенсоров 6-9 может поступать по линиям связи 10. Для увеличения времени автономной работы устройство, большую часть времени, находится в спящем режиме, выходя из него для проведения измерений.
Осуществление полезной модели.
Устройство представляет собой беспроводной мультигазовый датчик газа с передачей данных по беспроводной сети стандарта IEEE 802.15.4 работающее в режиме конечного устройства. Устройство предназначено для мониторинга токсичных и взрывоопасных газов в воздухе и предупреждения чрезвычайных ситуаций. Устройство работает по заложенному в память микроконтроллера алгоритму в режиме: рабочий режим - спящий режим - рабочий режим. В рабочем режиме выполняется проведений измерений газового состава. Передача данных также осуществляется по команде от микроконтроллера, для чего устройство должно находиться в рабочем режиме. Большую часть времени устройство находится в спящем режиме. Устройство имеет автономное питание от батарей, а спящий режим устройства обеспечивает продление срока службы батарей.
Для принудительного вывода устройства из спящего режима с целью выполнения им предписанных функций (например, выполнения измерений, передачи данных, выполнения операции поверки устройства) устройство оснащено пассивным ВЧ-контуром. Выход из спящего режима происходит в присутствии устройства-радиомаяка в непосредственной близости от устройства. Устройство-радиомаяк передает сигнальные импульсы на заданной частоте и с заданной периодичностью. При приближении к устройству-маяку, передаваемые с маяка сигналы поступают на ВЧ-контур устройства. Если мощность сигналов достаточна, на выходе ВЧ-контура формируется напряжение, достаточное для срабатывания компаратора, отвечающего за выход устройства из спящего режима. При этом программное обеспечение устройства фиксирует факт принудительного выхода из спящего режима. После принудительного выхода из спящего режима, устройство устанавливает соединение с беспроводной сенсорной сетью, в случае необходимости переподключается к сети, и выполняет предписанные функции, например, передает накопленные в памяти микроконтроллера данные на диспетчерский пульт контроля.
Реализация ВЧ-контура включает в себя антенну, резонансный контур для настройки на определенную частоту, детектор и компаратор. Резонансный контур обеспечивает усиление напряжения поступающего сигнала в том случае, если его частота совпадает с резонансной частотой или близка к ней. Детектор осуществляет преобразование ВЧ-сигнала в сигнал постоянного тока. Компаратор приводит уровень аналогового сигнала с выхода детектора к уровням логического ноля или единицы и передает этот сигнал на вход внешнего прерывания микроконтроллера.
Кроме того, поступление сигнала на вход внешнего прерывания микроконтроллера во время проведения измерений, приводить к прекращению проведения измерений и переводит устройство в режим выполнения предписанных функций.
Устройство может использоваться как в качестве индивидуального беспроводного мультигазового датчика, так и в составе беспроводных сенсорных сетей, поддерживающих технологию Zigbee. При работе в качестве индивидуального беспроводного мультигазового датчика устройство может быть оснащено световой сигнализацией и звуковым сигнализатором.
Пример. Устройство представляет собой мультигазовый датчик, автономно измеряющий концентрацию метана, оксида азота, сероводорода и угарного газа в месте его нахождения. Измеренные значения сохраняются в памяти микроконтроллера до момента прихода сигнала активации на устройство. После чего устройство устанавливает сетевое соединение и выполняет функцию передачи накопленных данных на диспетчерское устройство.
Устройство функционирует следующим образом. После включения питания, напряжение батарей 1 через преобразователь постоянного напряжения (ДС-ДС преобразователь) 2 подается на микроконтроллер 4, приемопередатчик 3 и блок переключения 5 сенсоров 6-9. При этом в первоначальный момент микроконтроллер 4, приемопередатчик 3 и блок переключения 5 находятся в выключенном состоянии. При поступлении напряжения на микроконтроллер 4 активируется программное обеспечение. Микроконтроллер 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. Устройство содержит электрохимический цифровой сенсор угарного газа 9, полупроводниковый сенсор сероводорода 7, электрохимический сенсор двуокиси азота 8 с аналоговым выходом и термокаталитический каталитический сенсор метана 6 с аналоговым выходом.
Сенсоры, не используемые для проведения измерений, находятся в выключенном состоянии или режиме ожидания (в зависимости от методики проведения измерений). С целью энергосбережения измерения концентрации газов всеми сенсорами устройства проводятся в периодическом режиме: режим измерения-спящий режим-режим измерения. Длительность режима измерения представляет собой сумму времени проведения измерений всеми сенсорами. Длительность спящего режима определяется исходя из конкретных условий проведения измерений. Большую часть времени устройство находится в спящем режиме.
Измеренные значение концентрации газов сохраняются в памяти микроконтроллера. При поступлении на антенну 11 внешнего сигнала от устройства-радиомаяка необходимой амплитуды и заданной частоты устройство выходит из спящего режима или прерывает процесс проведения измерений. Мощность внешнего сигнала должна превышать на входе ВЧ-контура - 10 дБм на частоте 866 МГц. При этом с детектора 13 на компаратор 14 поступает напряжение равное или более 0,5 В. В свою очередь компаратор подает логическую единицу на микроконтроллер, которая выводит его из спящего режима. При использовании устройства -радиомаяка мощностью 30 дБм (или 1 Вт), значение мощности - 10 дБм будет иметь место на расстоянии 2,5-3 м от радиомаяка с не направленной антенной и коэффициентом усиления антенны 5 дБи. При этом микроконтроллер 4 отдает команду на включение приемопередатчика 3, который подключается к обнаруженной сенсорной сети и передает данные на диспетчерское устройство. Возможно несколько вариантов использования устройства-радиомаяка. Оно может быть переносным и тогда его необходимо приблизить на определенное расстояние к устройству, что уровень мощности его радиоизлучения вывел устройство из спящего режима. Устройство-радиомаяк может быть стационарным и тогда устройство необходимо приблизить к нему.
После передачи данных микроконтроллер переводит устройство в обычный режим работы.
Кроме того, при измерении концентрации метана, оксида азота, сероводорода и угарного газа устройство работает как двухпороговое устройство. Первый порог предупреждение, второй - опасность. Пороги установлены в соответствии с таблицей 1.
Превышение концентрации порога предупреждения и порога опасности активирует звуковую и световую сигнализацию устройства.