Беспроводная система мониторинга концентрации газа

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Омский государственный технический университет, Омск, Россия.

Беспроводная система мониторинга концентрации газа

А.Е. Исаченко, А.А. Кабанов, Г.В. Никонова,

А.С. Рахманова, А.О. Савиди, Л.В. Щапова.

Аннотация

утечка газ беспроводной мониторинг

В статье рассматривается система, предназначенная для решения задач, связанных с безопасностью человека при возникновении утечки газа. Система мониторинга работает в режиме реального времени, обеспечена автономным питанием и устройством передачи и хранения полученных с датчиков данных. Предумотрена обратная связь и интерфейсное обеспечение связи с существующими организациями по контролю газа и управляющими компаниями, в частности: возможность передачи полученных данных абоненту и/или аварийно-диспетчерской службе, службам спасения, используя в том числе беспроводные средства связи.

Ключевые слова: микроконтроллер, газоанализатор, метрологические характеристики, интерфейс, коммуникационный модуль.

В настоящее время в связи с большими объемами использования бытового газа беспроводной мониторинг его концентрации является весьма актуальной задачей. Зачастую в быту происходят критические ситуации, связанные с утечкой газа, вследствие чего происходят несчастные случаи и учащаются пожары.

Использование существующих систем на рынке не представляется возможным в связи с рядом причин: некоторые системы требуют непосредственного участия человека, другие системы не имеют связи с организациями по контролю газа и управляющими компаниями, что делает абсолютно ненадежными такие системы.

Необходимо создать систему мониторинга, независимую от влияния человеческого фактора, оснащенную надежными средствами контроля, связи и устройствами автоматики.

В данном направлении наиболее актуальным видится использование информационно-измерительных систем применимых в производстве и быту, а также получивших повсеместное развитие таких технологий, как «Умные измерения» (Smart Metering), «Умный дом» (Smart Home), и других подобных в рамках технологии Internet of Things (IoT) (Интернет вещей) [1].

Предлагается техническое решение проблемы контроля и обеспечения безопасности при использовании бытовыми газовыми приборами, т.е. предотвращение критической утечки газа и оповещения контрольно-спасательных служб.

Спроектированная система беспроводного мониторинга концентрации газа предназначена для повсеместного использования, как в производственных, так и бытовых помещениях [2]. Система обеспечивает:

Сбор количественных данных с определенного набора датчиков концентрации газа, расположенных в разных точках;

Дальнейшую обработку полученной информации с датчиков посредством микроконтроллера (МК);

Возможность передачи полученных данных абоненту и/или аварийно-диспетчерской службе, управляющей компании, включая беспроводную систему передачи.

Наличие обратной связи, с помощью которой система могла бы прекращать подачу газа в помещение, где произошла утечка.

Дополнительные возможности системы контроля концентрации газа:

Наличие часов, предназначенных для временной регистрации превышения концентрации газа;

Приложение на смартфон или веб-интерфейс для мониторинга и управления из любой точки мира.

Вывод информации, полученной с датчиков, на дисплей системы.

Контроль расхода газа при последующей модернизации и монтажа счетчика.

В качестве основного датчика концентрации газа используется стационарный газоанализатор «СЕНСИС 500», предназначен для непрерывного автоматического измерения содержания кислорода, токсичных и горючих газов. Датчик имеет устройство подачи звукового и светового сигналов при достижении порогового уровня концентрации, а также подает сигналов управления внешними устройствами либо включением реле или передачи сигнала на внешние исполнительные устройства автоматики [3].

Схема стационарного газоанализатора «СЕНСИС 500» представлена на рисунке 1.

Рис. 1 Схема стационарного газоанализатора «СЕНСИС 500»

Известно, что природный газ в больших количествах, примерно 80-97%, содержит метан . Рассмотрим характеристики представленного газоанализатора для метана :

Диапазон индикации: 0…5% об.;

Диапазон измерения: 0…2,5% об.;

Чувствительность: 0,01% об.

Газоанализатор «СЕНСИС 500» обладает приемлемыми метрологическими характеристиками для контроля концентрации газа, а именно:

Относительная погрешность измерения по горючим и токсичным газам в нормальных условиях (н.у.) д = 10%;

Погрешность измерения по кислороду при н. у. в диапазоне 1 - 30 % об., абсолютная погрешность ? = ±0,3% об.;

Погрешность измерения по кислороду при н. у. в диапазоне 0,1 - 1 % об., относительная погрешность д = 10%

Относительная погрешность установки уровня порога сигнализации менее ± 1%;

Дополнительная погрешность от изменения температуры окружающей среды на каждые 10 °С не более 0,2 д;

Дополнительная погрешность от изменения влажности окружающей среды на каждые 10 % не более 0,2 д.

Условия эксплуатации газоанализатора «СЕНСИС 500»:

Температура окружающей среды: от -40 до +50 °С;

Относительная влажность: 30…95%;

Атмосферное давление: 84…120 кПа.

Подключение данного датчика осуществляется по интерфейсу RS-485, также корпус датчика защищен от влаги и пыли по стандарту IP 65.

В качестве программируемого устройства в данной системе мониторинга концентрации газа используется Arduino Uno R3, которое базируется на микроконтроллере ATmega 328Р [4, 5].

Основные характеристики Arduino Uno R3:

Рабочее напряжение: 5 В;

Напряжение питания (рекомендуемое): 7-12 В;

Напряжение питания (предельное): 6-20 В;

Максимальный ток одного вывода: 40 мА;

Flash-память: 32 КБ

Тактовая частота: 16 МГц.

Структурная схема беспроводной системы мониторинга концентрации газа представлена на рисунке 2

Рис. 2 Структурная схема беспроводной системы мониторинга концентрации газа

Разработанное устройство содержит набор датчиков - Д1, Д2, Д3; микроконтроллер на платформе Arduino Uno с дополнительным модулем памяти, управляющий системой - МК; источник бесперебойного питания - ИБС; коммуникационный модуль с набором стандартных интерфейсов - КНМ; исполнительный механизм - ИМ.

При разработке системы учитывалось, что для различных помещений, оснащенных традиционными сетями и средствами связи, а также не имеющимии их, необходимо предусмотреть модуль, имеющий весь набор интерфейсов, для подключения устройств передачи сигналов оповещения и связи [6].

В качестве источника бесперебойного питания используется сетевой адаптер, с резервированием (аккумуляторная батарея). В случае полного отключения питания, устройство подает аварийный сигнал за счет энергии специального "накопительного" конденсатора.

Таким образом, уникальность системы заключается в наличии автономности и способности передачи и хранения полученных с датчиков данных. Представленный вариант беспроводной системы мониторинга концентрации газа показал свои высокие метрологические характеристики, возможную эффективность использования и коммерческую новизну. Дальнейшее развитие системы мониторинга предусматривает контроль расхода газа при последующей модернизации и монтажа счетчика газа.

Библиографический список

1. Попов А.А. Анализ возможности использования устройств интернета вещей для формирования единого информационного пространства жилищно-коммунального хозяйства // Креативная экономика. -- 2017. - Том 11. - № 2. - с. 223-240. - doi: 10.18334/ce.11.2.37530

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники / 7-е издание. - М.: Мир, 2014. - 704c.

3. Стационарный газоанализатор серии «Сенсис». Руководство по эксплуатации. URL: http://www.gazoanalizators.ru/tech/sensis-500_re_mp.pdf (дата обращения: 11.04.2017).

4. Arduino Uno: Сайт - URL: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno (дата обращения: 10.04.17)

5. Керниган Брайан У. , Ритчи Деннис М. Язык программирования Си. / 3-е издание. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2016. - 288 с.

6. Гук М. Шины PCI, USB и FireWire. СПб.: Питер, 2005. - 544 c.

Размещено на Allbest.ru