АВТОНОМНЫЙ БЕСПРОВОДНОЙ ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК С СИСТЕМОЙ СБОРА И АККУМУЛИРОВАНИЯ СВЧ-ЭНЕРГИИ ИЗ ОКРУЖАЮЩЕГО ПРОСТРАНСТВА

Область техники, к которой относится полезная модель
Изобретение относится к области контроля параметров газовой среды и предназначено для автоматического контроля концентрации взрыво-, пожаро- и токсично-опасных газов в атмосфере жилых помещений, внутри и на территории промышленных объектов 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.
В частности, изобретение может найти применение:
- при конструировании и эксплуатации систем автоматического измерения концентрации горючих газов;
- в качестве автономных беспроводных предпожарных извещателей;
- в качестве автономных беспроводных датчиков токсичных газов;
- в качестве автономных беспроводных датчиков при построении беспроводных сенсорных сетей, удаленных от линий электропередач.
Уровень техники
В настоящее время достаточно широко используется различные датчики, имеющие радиоканал для передачи данных. Однако для питания этих датчиков требуется сетевое электрическое питание. В крайнем случае, они могут работать некоторое время автономно от внутренних источников энергии.
Таким образом, имеется явное противоречие. Информация от датчиков передается по беспроводному каналу, а для функционирования самих датчиков требуется сетевое питание. Это сильно ограничивает области использования беспроводных датчиков и беспроводных сенсорных сетей на их основе для мониторинга параметров окружающей среды.
Предлагаемое техническое решение устраняет часть имеющихся ограничений при использовании беспроводных газовых датчиков и беспроводных сенсорных сетей на их основе.
Системы для передачи электромагнитной энергии делятся на излучательные и неизлучательные системы. Излучательные системы для передачи энергии на относительно большие расстояния основаны на передатчиках (в частности, узконаправленных) и используют электромагнитное излучение в дальней волновой зоне. Неизлучательные системы передачи энергии, как правило, основаны на электромагнитной индукции в ближней волновой зоне.
В настоявшее время наибольшее распространение получили беспроводные индуктивные схемы питания, в частности, адаптивные индуктивные системы электропитания. Например, схемы питания могут корректировать характеристики, такие как частота, рабочий цикл и величина энергии, обеспечивать размещение различных устройств, включая комбинации различных устройств, и корректировать соосность между первичной обмоткой и вторичной обмоткой. Кроме того, системы беспроводного электропитания могут идентифицировать удаленное устройство, определять способность принять энергию от системы электропитания, обеспечить питание нескольких устройств с максимальной эффективностью даже если устройства сильно отличаются потребляемой мощностью. Кроме того, беспроводное индуктивное питание может быть многофазным, например, трехфазным. Многофазная индуктивная система электропитания повышает эффективность, уменьшает стоимость и выделяемое системой электропитания тепло.
Однако максимальное расстояние, на котором можно обеспечить эффективную передачу энергии за счет эффекта индукции, ограничено величинами того же порядка, что и физические размеры индукторов. В случае портативных электронных устройств размеры индукторов ограничены габаритами портативных электронных устройств, т.е. несколькими сантиметрами.
Таким образом, как и в случае использования электрического провода, для передачи энергии с помощью обычной индуктивной связи требуется, чтобы блок зарядного устройства и само портативное устройство находились очень близко друг к другу.
Если потребляющее устройство удалено от источника электромагнитной энергии, то наиболее перспективным направлением является создание устройств по сбору, преобразованию в постоянный ток и аккумулированию энергии СВЧ излучения. Это, в перспективе, позволит полностью отказаться от необходимости заряжать аккумуляторы, так как СВЧ излучение доступно на большей территории Земли.
Известно устройство компании Powercast (Патент US №7898105 B2, МКП H02J 7/34, H02J 1/10, дата опубл. 01.03.2011). Устройство предназначено для обеспечения беспроводного питания различных устройств за счет беспроводной передачи электромагнитной энергии ВЧ диапазона от генератора ВЧ излучения к потребителю с последующим конвертированием ее в постоянный ток. Устройство включает в себя генератор СВЧ излучения и само устройство сбора, конвертирования и аккумулирования СВЧ энергии.
Недостатком данного устройства является то, что оно не имеет резервного питания и схемы переключения с резервного батарейного питания на питание за счет преобразования СВЧ энергии. Поэтому устройство снабжено СВЧ генератором, постоянно передающим СВЧ энергию на само устройство сбора, конвертирования и аккумулирования СВЧ энергии.
Известно устройство [Патент РФ №95849, G01N 33/00, опубл. 10.07.11] содержащий газовые сенсоры, аналоговую измерительную схему, микропроцессорный модуль, радиопередатчик и элементы питания.
Достоинствами данного устройства является то, что для беспроводной передачи данных используется стандарт IEEE 802.15.4 и протокол высокого сетевого уровня ZigBee, которые отличаются пониженным энергопотреблением. Этот факт, одновременно с оптимизацией алгоритма проведения измерений, обработки и передачи данных, позволяет полностью отказаться от сетевого питания и создать автономные беспроводные датчики газа. Кроме того, в отличие от обычных беспроводных протоколов передачи данных, использование технологии Zigbee позволяет объединять отдельные датчики в сенсорные сети, в которых число датчиков практически неограниченно.
Недостатком данного устройства являются ограничения, связанные с используемым автономным питанием от батарей или аккумуляторов. Заряд батарей и аккумуляторов ограничен и при их разряде устройство перестанет выполнять свои функции.
Наиболее близким к описываемому является беспроводной датчик газа с автономным питанием [Патент РФ №111675, G08B 17/10, опубл. 20.12.2011], содержащий газовые сенсоры, аналоговую измерительную схему, микропроцессорный модуль, приемопередатчик и систему питания.
Достоинством данного устройства является то, что цифровая часть устройства, включающая приемопередатчик и микропроцессорный модуль, и аналоговая измерительная часть датчика, включающая сенсоры и стабилизатор, имеют независимое батарейное питание, а сама схема питания реализована таким образом, чтобы аналоговая измерительная часть полностью отключалась в режиме ожидания.
При этом цифровая часть схемы не требует стабилизированного питания, а стабилизированное питание аналоговой части подается только при проведении измерений концентрации контролируемого газа. В результате увеличивается время автономной работы устройства и его надежность, так как в случае разряда батарей, питающих аналоговую часть, устройство в целом сохранит функцию приема-передачи данных.
Однако при любой оптимизации энергопотребления батареи разрядятся, и устройство будет нуждаться в подзарядке батарей или их замене. Это не всегда возможно в реальных условиях, в частности, если датчики расположены в труднодоступных местах.
Кроме того, для большинства устройств с батарейным питанием стоимость эксплуатации редко определяется первоначальной стоимостью при их изготовлении. При длительном сроке службы устройства замена батарей может существенно влиять на общую стоимость эксплуатации устройства. Это особенно важно в приложениях, где замена батарей затруднительна или сопряжена с высокими трудозатратами на обслуживание.
Раскрытие полезной модели
Решение описанных выше проблем возможно, если использовать для питания электронных устройств электромагнитную энергию, созданную различными излучателями СВЧ диапазона (GSM связь, Wi-Fi, DTV и др. в диапазоне частот от 0.5 ГГц до 12 ГГц.) в окружающем пространстве. Это позволит создать полностью автономные источники питания малопотребляющих приборов и устройств, в частности, для сенсоров и контрольно-измерительной аппаратуры в промышленности, медицине, метеорологии, беспроводных информационных сетях.
Технической задачей полезной модели является полная энергонезависимость устройства от сетевого питания, не лимитированная зарядом батарей. Это, в свою очередь, ведет к увеличению надежности работы беспроводного автономного газового датчика и расширению областей его использования.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в добавлении к батарейному питанию питания за счет сбора, аккумулирования и использования энергии от альтернативных источников СВЧ излучения.
Сущность изобретения состоит в том, что автономный беспроводной газовый датчик содержит газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, приемопередатчик, микропроцессорный модуль для управления режимами работы сенсоров, первичной обработки данных измерений и их хранения, схему питания сенсоров и датчика в целом, при этом само устройство, кроме традиционного батарейного питания, имеет систему питания за чет сбора и аккумулирования СВЧ энергии, которая собирается из окружающего пространства, конвертируется в электрический ток, накапливается в суперконденсаторе и используется для питания беспроводного газового датчика.
Кроме того, технический результат достигается за счет того, что система питания включает в себя приемную антенну, схему повышения напряжения, детектор и аккумулятор электрической энергии; в качестве аккумулятора электрической энергии используется суперконденсатор; для передачи энергии на устройство используется СВЧ генератор, генерирующий СВЧ излучение на частоте, на которую настроена схема приема и аккумулирования СВЧ энергии.
При этом надо отчетливо понимать, что устройство будет работать за счет собираемой из окружающего пространства энергии только в том случае, если входящая мощность СВЧ излучения больше, чем мощность потребляемая устройством. Поэтому к местам расположения автономных беспроводных датчиков будут выдвигаться соответствующие требования. Наиболее эффективными местами их расположения будут места вблизи излучателей СВЧ сигнала: передающие станции ТВ сигнала и мобильной связи, источники Wi-Fi, Wi-Max сигнала и др. типы передатчиков.
В случае если мощность входящего излучения не достаточна, то частным случаем решения данной проблемы может быть использование маломощных СВЧ генераторов, передающих (поставляющих) СВЧ энергию автономным беспроводным датчикам находящимся, например, на территории складского помещения.
Важно отметить, что энергия СВЧ излучения распределена в широком диапазоне СВЧ частот. Поэтому собрать эту энергию будет достаточно сложной технической задачей.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Функциональная схема беспроводного автономного датчика с системой сбора и аккумулирования энергии СВЧ излучения.
Фиг. 2. Структурная схема устройства сбора и аккумулирования энергии СВЧ излучения.
Фиг. 3. Зависимость тока от концентрации CO.
Фиг. 4. Потребление датчиком тока во время передачи данных.
Фиг. 5. Время зарядки суперконденсатора.
Осуществление полезной модели
Пример. Беспроводной автономный датчик утечек угарного газа с системой сбора и аккумулирования энергии СВЧ излучения.
Устройство предназначено для детектирования угарного газа (CO) в окружающей атмосфере и представляет собой беспроводной автономный газовый датчик.
Беспроводной датчик CO состоит из следующих основных частей: микроконтроллера, отвечающего за управления всеми функциями датчика, датчика CO с аналоговой измерительной схемой, приемопередатчика стандарта IEEE 802.15.4. ZigBee и схемы питания датчика, включающей питание от батареи (CR2477, 3 В и 850 мАч) и питание от схемы сбора и аккумулирования энергии СВЧ излучения. Принципиальная функциональная схема беспроводного автономного газового датчика CO приведена на Фиг. 1. Устройство включает: микроконтроллер (МК), CO сенсор, приемопередатчик, DC-DC преобразователь, переключатель питания, батарейное питание, СВЧ тракт для приема и преобразования энергии СВЧ излучения в электрический ток и суперконденсатор.
Переключение с батарейного питание на питание от схемы сбора и аккумулирования энергии СВЧ излучения происходит, когда напряжение на суперконденсаторе превышает 0.4 В. Если мощность, собираемая схемой, превышает мощность, потребляемую беспроводным автономным датчиком, то напряжение на суперконденсаторе будет продолжать увеличиваться, пока не достигнет его номинального значения. Если поступающая мощность меньше, чем мощность, потребляемая беспроводным автономным датчиком, то напряжение на суперконденсаторе будет уменьшаться. При напряжении меньшем 0.4 В перейдет переключение на питание от батарей. Порог переключения может быть изменен программно.
ДС-ДС преобразователь преобразует входное напряжение в диапазоне от 0.3 до 5.5 В напряжение 2.8 В.
Таким образом, батареи выступают в качестве резервного источника питания. Отказаться от них полностью не представляется возможным, так как все возобновляемые альтернативные источники энергии являются не стабильными во времени.
Структурная схема устройства сбора и аккумулирования энергии СВЧ излучения приведена на Фиг. 2.
Схема сбора и аккумулирования энергии СВЧ излучения работает следующим образом. Приемная антенна принимает СВЧ излучение в заданном диапазоне (900 МГц). Поскольку уровень напряжения принятого сигнала является низким и недостаточным для срабатывания схемы детектирования, осуществляется преобразование напряжения принятого сигнала до необходимого уровня с помощью схемы резонансного повышения напряжения. С этой целью используется схема последовательного резонансного контура.
Полученное напряжение поступает на детектор, построенный на диодах Шоттки по схеме удвоения напряжения. Выходное напряжение детектора аккумулируется в суперконденсаторе и преобразуется с помощью преобразователя постоянного тока до необходимого выходного напряжения для питания внешних устройств.
При разработке устройства сбора и аккумулирования энергии СВЧ излучения учтена необходимость согласования детектора с остальными частями устройства. Согласование осуществляется для заданных параметров, как для входной, так и для выходной цепи. Для входной цепи согласование осуществляется для заданного значения мощности излучения на входе. Для выходной цепи при согласовании учитывается эквивалентное сопротивление нагрузки, состоящей из аккумулирующего конденсатора и преобразователя напряжения постоянного тока.
Основные алгоритмы работы беспроводного датчика CO и протоколы передачи данных реализуются программно. Для этого используется микропроцессор ATXMTGA32A4.
Беспроводной датчик CO использует технологию передачи данных ZigBee и осуществляет передачу данных по протоколу BACnet. Поэтому 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 для экологического мониторинга воздушной среды. Передача данных о концентрации CO в контролируемом месте осуществляется на координатор сенсорной сети, в качестве которого может выступать компьютер с подключенным Zigbee - USB 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.
В качестве сенсора CO в работе был использован сенсор NAP-505 (Nemoto), работающий в амперометрическом режиме. Принцип действия сенсора основан на том, 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 и измерений в электрохимические сенсоры включают три электрода: рабочий, вспомогательный и сравнения. Электрод сравнения необходим для точного поддержания неизменным напряжения между рабочими электродами. Газ проникает внутрь сенсора через газопроницаемую мембрану и угольный фильтр, который удаляет неконтролируемые газы. Реакция взаимодействия происходит на трехфазной границе раздела электролит - газ - катализатор.
В результате протекания реакции окисления угарного газа в сенсоре CO протекает ток, величина которого зависит от концентрации CO (Фиг. 3).
3
3
3
3
3
Автономный беспроводной газовый датчик CO работает в двух пороговом режиме. Полученное значение концентрации CO сравнивается с заранее заданными пороговыми значениями, хранящимися в памяти микроконтроллера (5 мг/м и 20 мг/м CO). Если концентрация CO меньше 5 мг/м микроконтроллер переводит датчик в режим энергосбережения (спящий режим), передача данных не осуществляется. Если концентрация CO лежит в диапазоне от 5 мг/м и 20 мг/м, то звучит звуковой сигнал датчика (предупреждающий о наличии повышенной концентрации CO), микроконтроллер активирует приемопередатчик и на координатор сети передается данные о повышенной концентрации CO.
3
Если концентрация CO превысит 20 мг/м, то на датчике активируется световая и звуковая сигнализация о превышении значения ПДК, микроконтроллер активирует приемопередатчик и на координатор сети передается данные о превышении на месте расположения датчика концентрации CO.
Измерения концентрации CO 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 электрод замыкаются между собой на время, когда питание выключено. В этом случае стабилизация выходного сигнала осуществляется в течение 10 секунд после включения питания (таким образом, минимальное время измерения составляет 10 секунд). Затем проводится измерение концентрации CO и выполняют передачу полученных данных на координатор сенсорной сети. Далее микроконтроллер переводит датчик в спящий режим. Измерения концентрации CO проводятся 1 раз в минуту. Для уменьшения энергопотребления в течении 10 секундного выхода на рабочий режим, микроконтроллер переходит в спящий режим (т.е. фактически все время микроконтроллер находится в энергосберегающем режиме), включаясь на несколько миллисекунд только в моменты: выхода из спящего режима, проведения измерений и активации приемопередатчика. В таком режиме работы основным потребителем тока является приемопередатчик (Фиг. 4) (в момент передачи данных).
Исходя из этого, можно рассчитать среднее энергопотребление датчика. Средний ток во время передачи данных составляет 43,49 мА в течение 0,28 секунд. Следовательно, при одном измерении и передачи данных в минуту, среднее потребление тока будет 200 мкА. Таким образом, потребляемая датчиком мощность приблизительно равна 0.6 мВт. Остальные компоненты датчика потребляют на порядок меньший ток. Ток в спящем режиме составляет не более 10 мкА. Исходя из этого, от одной литиевой батареи типа CR2477 (3 В и 850 мАч) датчик будет работать порядка 5 месяцев при сроке службы сенсора CO до 10 лет.
Чтобы датчик работал за счет СВЧ энергии необходимо, чтобы на его вход непрерывно приходило не менее 1.2 мВт мощности (с учетом КПД преобразования, который составляет около 50%), что соответствует примерно мощности 0 дБм.
График зарядки суперконденсатора с емкость (С) 5 Φ приведен на Фиг. 5. Суперконденсатор заряжается до напряжения 2.16 В за 32 минуты.
Энергию, которую можно использовать для питания датчика можно рассчиать по уравнению:
0
1
где C - емкость, V - начальное напряжение на конденсаторе; V - конечное напряжение на конденсаторе.
0
1
Подставляя C=5 Ф, V=2.16 В, V=0.4 В получим W=22.5 Дж или 6 мВт∗ч. Так как потребляемая мощность датчика 0.6 мВт, то энергии запасенной в суперконденсаторе хватит на приблизительно на 10 часов работы.
При этом, если концентрация CO меньше предустановленного порогового значения, то нет необходимости в передаче данных на координатор сенсорной сети после каждого измерения. Это позволяет уменьшить энергопотребление датчика в несколько раз, до значений, близких к энергопотреблению микроконтроллера и модема в спящем режиме. Тем самым увеличивается время работы датчика за счет энергии запасенной в суперконденсаторе.