Протоколы связи для беспроводного нейроинтерфейса

Как видим, все четыре направления требуют от исследователей ответа на вопросы: каковы механизмы массопереноса при спекании и кинетика процесса при различных состояниях активации.

Объектом нашего исследования выступают труд-нодеформируемые сегнетопьезокерамические материалы на основе твердых растворов цирконата -титана свинца типа ЦТС: ЦТС - 19 и ЦТС - 83.

Спекание этих порошков обычно осуществляют при достаточно высоких температурах - не ниже 1300 °С. Использование же механического активирования при спекании порошковых материалов типа ЦТС (ЦТС - 19 и ЦТС - 83) позволяет сократить разброс размеров исходных частиц порошка и получить при этом многозерновую структуру при температурах ниже обычных на 30 - 40 °С при механическом активировании в течении 20 минут.

Предварительный вывод по результатам пробных экспериментов: чтобы сформировать многозерновую

структуру спеченной формовки из материала типа ЦТС - 19 и ЦТС - 83 добиться наиболее низкой температуры спекания необходим высокоэнергетический помол, т.е. механическая активация.

В результате исследования мы сделали попытку разработать гипотетический проект пилотажной описательной модели технологии взрывного прессования и последующего спекания керамико - полимерных материалов со специальными свойствами. В ее основу заложены четыре разновидности информационных данных: описать, измерить, объяснить и сформировать искомое явление, процесс, механизм, технологию и т.д. На сегодняшний день мы находимся на третьей стадии и чтобы сформировать в полноценную профессиональную технологию обозначенной проблемы, нужны лонгитюдные исследования, продолжительностью не менее трех лет.

ЛИТЕРАТУРА

1. Атрощенко, Э.С. Технология спекания сегнетокерамических материалов после взрывного нагружения / Э.С. Атрощенко, А.Е. Розен, Н.В. Голованова // Технический прогресс в атомной промышленности. -1995. - Вып. 2. - С.3 - 10.

2. Гегузин, Я.Е. Физика спекания. - 2 - е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. редакция физико

- математической литературы. 1984 - 312 с.

3. Данцигер, А.Я. Высокоэффективные пьезокерамические материалы // Справочник. Ростов - на -Дону. 1994. - 14 с.

4. Ивенсен, В.А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории / В.А. Ивенсен. - М.: Металлургия, 1985. - 247 с.

5. Ивенсен, В.А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании / В.А. Ивенсен. - М.: Металлургия, 1971. - 272 с.

6. Либенсон, Г.А. Процессы порошковой металлургии / Г.А. Либенсон, В.Ю. Лопатин, Г.В. Комарницкий / / Формирование и спекание. МИСИС. Москва, 2002. - 320 с.

7. Логинов О.Н. Получение керамических и полимерно - керамических материалов на основе цирконата

- титаната свинца взрывным нагружением / О.Н. Логинов, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.02.01. - Материаловедение (Машиностроение). -25 с.

8. Осокин, Е.Н. Процессы порошковой металлургии / Е.Н. Осокин, П.А. Артемьева // Версия 1.0 [электронный ресурс]. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.

9. Процессы массопереноса при спекании / Хермель В., Кийбак Б. Шатт В.И. и др.; под.ред. Скорохода В.В. - Киев: Наук. Думка, 1987. - 152 с.

10. Розен, А.Е. Особенности формирования структуры и свойств керамики, обработанной взрывом при спекании / А.Е. Розен, Н.В. Голованова, А.В. Прыщак // Сборник ученых трудов университета. - Вып. 1. - Пенза: Изд - во Пензенского государственного технологического университета, 1996. - с. 38 -42. - (Машиностроение).

11. Розен, А.Е. Проявление реологической наследственности сегнетокерамических материалов при спекании / А.Е. Розен, С.Г. Усатый, А.В. Прыщак, И.Б. Мурадов, Н.А. Любомирова, Д.В. Каракозов // Известия вузов, Поволжский регион. Технические науки. Машиностроение. № 2, 2008. - С. 143 - 152 с.

УДК 618.2

Тычков А.Ю., Горячев Н.В., Кочегаров И.И.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ПРОТОКОЛЫ СВЯЗИ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОГО НЕЙРОИНТЕРФЕЙСА

Рассматриваются технологии беспроводной передачи данных, с точки зрения их применимости при проектировании нейроинтер-фейса. Отмечены основные технологии способные эффективно применяться в составе нейроинтерфейса

Ключевые слова:

НЕЙРОИНТЕРФЕЙС, БЕСПРОВОДНАЯ, ПЕРЕДАЧА, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ДАННЫХ, НЕЙРО-ГАДЖЕТ, БИОПОТЕНЦИАЛ, BLE, ZIGBEE

Вот уже почти два десятилетия область разработки нейро-гаджетов увлекает как энтузиастов -одиночек, так и профессионалов в области фиксации мозговых волн за счет измерения биопотенциалов. В современном понимании нейро-гаджет - это нейроинтерфейс помогающих индивидууму при выполнении разного рода работ или на отдыхе. Классический нейроинтерфейс предназначен для обмена информацией между мозгом и каким-либо электронным вычислительным устройством (компьютером) [1]. Такие устройства называют нейрокомпьютерным интерфейсом. Сегодня, благодаря развитию в области ряда наук, таких как медицина, микроэлектроника, компьютерные технологии нейроинтерфейсы помогают тяжелобольным людям с прогрессирующими нейродегеративными заболеваниями общаться с окружающим миром. Хорошим примером применения нейроинтерфейсов в этой области является жизнь недавно ушедшего от нас британского физика Стивена Хокинга. Хорошо просматривается возможность применения нейроинтерфейсов и в других областях медицины [2] Между тем, в последние время нейроинтерфейсы находят применение у вполне здоровых людей как фитнес-гаджеты при активном отдыхе или релаксации [3].

С развитием технологий беспроводной передачи данных, нейроинтерфейс нельзя представить без применения устройств, делающих его связь с компьютером гибкой и независящей от проводных интерфейсов. Технологии беспроводной передачи данных уже находят применение в информационных системах медицинского назначения [4].

Рассмотрим беспроводные интерфейсы и протоколы связи пригодные для применения в качестве основного средства связи современного нейроинтерфейса с компьютером или другим вычислительным устройством, в т.ч. с автономным электропитанием, например, планшетным компьютером, смартфоном и т.п.

Разработчикам цифровых электронных устройств хорошо известна спецификация сетевых протоколов верхнего уровня ZigBee. Протоколы этой спецификации регламентированных стандартом IEEE 802.15.4, который появился в 2003 году. ZigBee и IEEE 802.15.4 описывают беспроводные персональные вычисли-

тельные сети (WPAN, wireless personal area networks). Спецификация ZigBee ориентирована на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания. Благодаря тому, что технология ZigBee позволяет строить не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений, протокол хорошо подходит для построения разветвленных, масштабируемых сетей, состоящих из десятков нейроинтерфейсов, например, это может быть военное подразделение каждая боевая единица которого снабжена индивидуальным нейроинтерфейсом.

Преимущества и недостатки технологии ZigBee на сегодняшний день хорошо известны, рассмотрим их. Преимущества ZigBee:

гибкие возможности по самоорганизации и самовосстановлению; несложные методики развертывания сети;

высокий уровень устойчивости к электромагнитным помехам; высокая безопасность;

отсутствие необходимости лицензирования частот;

низкое энергопотребление (в том числе в «спящем» режиме).

Следует отметить, что низкое энергопотребление технологии ZigBee следует считать преимуществом, только при реализации простой, не сложно разветвленной сети, а в отдельных приложениях технологии наблюдаются некоторые проблемы энергоэффективности [5].

В ходе практической эксплуатации сетей, построенных по технологии ZigBee, выявлены следующие недостатки:

невысокая скорость обмена данными.

большая часть трафика тратится на передачу пакетов, содержащих адресную информацию, информацию по синхронизации и т.п.

невысокая проникающая способность в городской застройке

недостаточно высокий уровень стандартизации и отсутствие единой программно-аппаратной платформы для разработки сложных приложений (отладочных плат высокого уровня интеграции).

В случае разработки нейроинтерфейса для бытового (домашнего) применения возможно полезным будет применение беспроводный протокол связи Z-wave. Протокол изначально ориентирован на применение в системах домашней автоматизации, где уже сейчас находят практическое применения нейроинтерфейсы. Z-Wave продвигается консорциумом разработчиков в виде функционально законченных электронных модулей, предназначенных для встраивания в различные изделия электронной техники. При этом технология использует для своей работы частоты до 1 ГГц и в основном предназначена для передачи управляющих команд. Таким образом технология Z-wave пригодна для управления нейроинтерфейсом, но не для полноценной передачи данных.

Следует отметить, что и существующие беспроводные радиосистемы (Wireless RF) могут быть использованы для решения задачи связи низкоскоростного нейроинтерфейса с компьютером. Данные системы используют безлицензионные частоты как правило в диапазоне 433 МГц и обладают дальностью связи до 100 м при этом обеспечивая скорость передачи данных до 115 кбит\сек. Простые беспроводные радиосистемы могут использовать симметричный алгоритм блочного шифрования, системой кодирования. Между тем подобная технология обладает рядом недостатков:

при использовании шифрования падает эффективная скорость передачи данных и повышается энергопотребление;

при отсутствии шифрования несложно перехватить и даже осуществить подмену передаваемых данных; низкая устойчивость к электромагнитным помехам.

По мнению авторов, наиболее подходящей технологией для реализации беспроводного нейроинтерфейса является беспроводная технология передачи данных Bluetooth Low Energy наиболее известная под своей аббревиатурой (BLE). Особым преимуществом технологии является ее распространённость на огромном количестве устройств, прежде всего устройств с автономным электропитанием, т.е. мобильных или носимых. Технология BLE специально разработана для осуществления беспроводной связи в ближней зоне, т.е. на малых расстояниях. Это обстоятельство подчеркивает высокую энергоэффективность BLE, что является крайне важным при реализации нейроинтерфейса с автономным электропитанием. Из достоинств технологии BLE следует отметить следующее:

высокий уровень внедрения в существующие мобильные устройства; распространение в мире высокая скорость передачи данных, в т.ч. с применением шифрования; высокая надежность и устойчивость к электромагнитным помехам.

Между тем технология BLE не лишена недостатков, среди которых следует отметить проблемы с идентификацией устройств в сети и низкая дальность связи в городской застройке. Последние в случае применения BLE в нейроинтерфейсе не существенно, т.к. нейроинтерфейс эксплуатируется, как правило, в непосредственной близости от компьютера.

Таким образом, наиболее перспективным для реализации беспроводного нейроинтерфейса видится применение технологии BLE, которая обладает рядом преимуществ необходимых в данной области. К тому же энергоэффективность данной технологии может быть увеличена за счет применения специальных способов [6], в т.ч. перспективным с точки зрения повышения энергоэффективности, по мнению авторов, является возможность применения харвестеров (сборщиков) энергии радиоэфира в миниатюрном, интегральном исполнении.

Статья подготовлена при поддержке Российского научного фонда (мероприятие «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых, ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, номер проекта 17-71-20029).

ЛИТЕРАТУРА

1. Wolpaw J.R., McFarland D.J., Neat G.W., Forneris C.A., An EEG-based brain-computer interface for cursor control. Electroencephalography & Clinical Neurophysiology. Vol 78(3), Mar 1991, 252— 259.

2. Тычков А.Ю. Автоматизированная система обработки и анализа электрокардиосигналов в условиях интенсивных помех различного вида / Тычков А.Ю., Чураков П.П., Кривоногов Л.Ю. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2011. № 1. С. 117-125.

3. Muse - Легкая медитация [Электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.choosemuse.com/

4. Митрохин А.С. Применение беспроводных сенсорных сетей в медицинских распределенных информационных системах / А.С. Митрохин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 292-293.

5. Зимин Д.В. Анализ проблем энергоэффективности беспроводных сетей передачи данных на базе стека протоколов ZIGBEE / Д.В. Зимин, К.А. Муравьёв // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 1. С. 195-197.

6. Адамов А.П. Способ надежного питания элементов сенсорной сети от беспроводного интерфейса / А.П. Адамов, С.Г. Семенцов // Надежность и качество сложных систем. 2018. № 1 (21) . С. 7 9-83. DOI: 10.21685/2307-4205-2018-1-10

УДК 621.396

Нуржанов Д.Х., Васильев А.С., Подсякина А.Ю., Москвитина О.В., Реута Н.С.

ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия

БЕСКОНТАКТНАЯ ДИАГНОСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОВИЗОРОВ

В данной статье рассмотрены системы получения ИК изображений, применяемые в тепловизионной аппаратуре, рассмотренны особенности современных тепловизоров, приведены оценки их основных узлов. Предложена методика применения тепловизионного оборудования для предполетной подготовки летательных аппаратов.

Ввиду того, что тепловизор является универсальным прибором для температурных измерений и анализа тепловых полей, потребитель может стремиться применить его для решения максимального числа измерительных и диагностических задач. Тем не менее, при покупке тепловизора следует четко представлять основные области его будущих применений, что в сочетании с финансовыми возможностями пользователя позволит оптимизировать состав тепловизионного комплекта. Так, применение тепловизора в качестве "дальнобойного" и высокочувствительного прибора ночного видения невозможно без длиннофокусной оптики, но зачастую не требует измерения температуры. Простым прибором тепловизионного наблюдения является модель ThermaCAM Scout фирмы FLIR Systems, в то же время наилучшим прибором в данной области применения будет тепловизор ThermaCAM 1000 той же фирмы, который может быть установлен на гироплатформе летательного аппарата. В военной области популярны показывающие тепловизоры фирмы Raytheon. Для ИК диагностики в электроэнергетике оптимальным прибором могут быть приборы серии ThermaCAM E или Т. Для многих областей применения важно наличие фильтров, которые позволяют существенно снизить помехи от отраженного солнечного излучения или повысить точность измерений температуры ряда специфических объектов, таких как стекло, пластмассы, горячий газ и т.п. Кроме того, часто в промышленной сфере требуются портативные тепловизоры с автономным питанием, в то время как для медицинской диагностики важна высокая чувствительность и развитая компьютерная обработка, а сам тепловизор может быть стационарным и питаться от сети переменного тока. Наконец, для научных исследований оптимальной может быть компьютерная система ThermaCAM SC 3000 (наиболее совершенной является модель SC 6000), а также некоторые тепловизоры фирм CEDIP (FLIR Systems), Santa Barbara Focal Plane Array которые обеспечивают запись последовательностей ИК изображений с высокой скоростью [1-3].

В последние годы активными участниками российского рынка тепловизоров стали фирмы NEC (Япония) с моделями ТН7102, 7800 и ТН9100 раз-

личных модификаций, Jenoptik (Германия) с моделями VarioCAM Inspect 130/25 и 170/25, Fluke (Raytek) с дешевой моделью ТОО, Testo с серией 880 (Великобритания), а также китайские производители Guangzhou Sat Infrared Technology и Wuhan Guide Electronic Industrial. В частности, последняя фирма поразила потребителей совместной с английской фирмой Land разработкой тепловизоров серии MoblR, напоминающих по дизайну и размерам мобильный телефон. Как отмечалось выше, вследствие жесткой конкуренции технические параметры самих камер и возможности софтвера для лучших моделей достаточно близки и решающим фактором для российских покупателей становится цена. Важнейшим фактором цены является тип используемой матрицы ИК детекторов. Высококачественные неохлаждаемые матрицы были разработаны американской фирмой Boeing (впоследствии технология была продана фирме DRS).

Поскольку для поставки за рубеж лицензионных матриц необходима экспортная лицензии Министерства торговли США, в некоторых странах был налажен выпуск так называемых нелицензионных матриц.

Поставка тепловизоров с такими матрицами осуществляется в третьи страны без ограничений, и соответствующие тепловизоры маркируются специальным образом. Другим средством преодоления экспортных ограничений явилась разработка приборов на матрицах малого формата (до 80 х 80) и с пониженной частотой смены изображений (до 7 Гц). В Европе большую популярность приобрели неохлаждаемые матричные ИК детекторы французской фирмы Uliss, на которые ограничения экспортной поставки менее жесткие по сравнению с американскими матрицами. В диагностических работах различие в технических показателях тепловизоров с лицензионными и нелицензионными матрицами может быть несущественным, однако в научных исследованиях предпочтительно применение высококачественных детекторов, обеспечивающих хорошие измерительные возможности тепловизора по всему полю зрения с температурным разрешением до 3 0 мК [2,4].

Таким образом, для задач диагностики радиоаппаратуры можно выделить следующие характеристики тепловизоры:

• спектральный диапазон предпочтительно длинноволновый

• диапазон измеряемых температур не уже 10° +200°С

порог температурной чувствительности инструментальная погрешность измерения температуры не хуже 0,1—0,3°С при температуре 25—30°С не больше 2% от верхнего предела диапазона измерения

• поле (угол) зрения 18—24 угловых градуса

• пространственное разрешение (мгновенное поле зрения) не более 1,5—3 мрад

Быстродействие питание не менее 12 кадров в секунду автономное, позволяющее работать от одного комплекта аккумуляторов не менее 2—3 часов

• возможности работы с термограммами запоминание термограмм на электронном носителе, наличие программного обеспечения для обработки и печати термограмм; динамический диапазон представления термограмм — не менее 8 бит.

• условия эксплуатации окружающая температура от 10 до +50°С, вибрация — до 1д, удары и толчки — до 15д

• масса возможно меньшая, позволяющая длительное время удерживать тепловизор одной рукой