В настоящее время происходит бурное развитие беспроводных сенсорных сетей[1] (БСС), которые представляют собой сеть[2] состоящую из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств — беспроводных сенсорных узлов (БСУ). Текущий анализ промышленных объектов в России показывает, что требуется внедрение беспроводных сенсорных сетей, которые позволяют организовать круглосуточный мониторинг атмосферы на наличие взрывоопасных и отравляющих газов. Современные БСУ для мониторинга атмосферы состоят из микроконтроллера, приемопередатчика, газового сенсора, интеллектуального источника питания на основе альтернативных источников энергии. Для обслуживания таких БСС требуются возможность «горячей замены» сенсорного элемента, так как чувствительные аналоговые элементы часто требуется калибровать или полностью заменять. Создание серии цифровых газовых датчиков (ЦГД), обладающих единым цифровым интерфейсом, протоколом обмена данными, унифицированным набором команд, методиками настройки, калибровки и поверки является актуальной задачей для больших систем мониторинга промышленной безопасности.

В рамках проекта разрабатывается макет ЦГД взрывоопасных газов для  БСУ. В качестве аналогового чувствительного элемента был подобран отечественный сенсор кислорода O2. Разработанный ЦГД для измерения концентрации O2 в окружающей среде в отличие от аналоговых датчиков является калиброванным средством измерения и обеспечивает автоматическую температурную коррекцию и самодиагностику. При смене датчика не требуется проводить дополнительные операции по калибровке и переконфигурации системы, поскольку все необходимые данные содержатся в памяти датчика и могут быть прочитаны с помощью специальных команд протокола.

Аналогово-цифровая схема газового датчика выполнена на основе 32 разрядного микроконтроллера, который имеет ΣΔ АЦП с дифференциальными входами и внутренним усилителем. Для подключения сенсорного элемента требуется миниатюрный операционный усилитель, который позволяет усиливать напряжение выходного сигнала. Вместе с сенсорным элементом, используется внутренний датчик температуры микроконтроллера, который позволяет проводить компенсацию температурной зависимости чувствительного элемента. ЦГД имеет EEPROM память, в которой сохраняются настроечные константы на конкретный чувствительный элемент – калибровочные константы. ЦГД выполняет функции аналого-цифрового преобразования, корректировки данных, передачи данных к вычислительному устройству по специальному протоколу используя шину SPI. Для создания цифровой платы газового сенсора используются 32-разрядный микроконтроллер 1986ВЕ4У1 со встроенной Flash памятью программ. Периферия микроконтроллера включает в себя 8 каналов 24-х битных независимых ΣΔ АЦП. Каждый канал АЦП имеет предусилитель, фазовую подстройку (для коррекции фазы не хуже 0.1°).

В состав цифрового датчика газа O2 входит гальванический сенсор кислорода, который изготавливается по популярной технологии для измерения концентрации кислорода в воздухе. Гальванические кислородные сенсоры можно разделить на две группы: капиллярного типа с измерением потока воздуха, на основе полимерной мембраны с контролем частичного давления. На Рисунке 1 представлен аналоговый чувствительный элемент капиллярного типа с контролем воздушного потока, в нем диаметр капилляра составляет четь меньше 100 мкм, и контролируется поток воздуха на катоде. Обычно используется платиновый электрод для уменьшения концентрации кислорода внутри сенсора и свинцовый анод для полной химической реакции. Наиболее часто используемый электролит в кислородном сенсоре – это гидроксид калия (КОН). Между анодом и катодом подключается нагрузочное сопротивление в 10-100 Ом для измерения генерируемого тока. Кислородный сенсор работает как металл/воздушная батарейка. Кислород проходит через маленький капилляр на катод. При контакте с катодом кислород переходит в гидроксильный ион, сбалансированный реакцией окисления свинца на аноде. Количество кислорода уменьшенного на катоде зависит от концентрации кислорода в воздухе. Так как кислород потребляется катодом, то давление внутри сенсора уменьшается, что ведет к увеличению диффузии кислорода через капилляр. Выходной ток нелинейно зависит от скорости потребления кислорода и зависит от концентрации кислорода. Время жизни сенсора ограничено окислением свинца. Как только весь свинец на аноде будет окислен, датчик перестанет работать. Данный вид датчиков работает быстрее, чем датчик, основанный на контроле частичного давления.

 

Выходные характеристики кислородного сенсора на основе контроля потока воздуха практически не зависят от внешнего давления среды, немного зависят от температуры и влажности. Но они обладают сильной зависимостью к резкому увеличению давления, однако стабилизация выходных характеристик проходит довольно быстро. Технические характеристики электрохимического чувствительного элемента: выходной сигнал - 20.9% O2 от 60 до 85мкА, время отклика при изменении концентрации от 20.9% до 0% O2 меньше 15секунд, ток при нулевой концентрации (99.99% N2), 22°C меньше 2.5мкА , дрейф выходного сигнала меньше 0,6%/месяц , чувствительность к влажности при изменении концентрации от 0% до 95% меньше 0.7 % , чувствительность к давлению меньше 0.1 % , рабочий диапазон температур в диапазоне от -30 до 55 °C , рабочий диапазон атмосферного давления - от 80 до 120 кПа , рабочий диапазон влажности - от 5 до 95 %.

В рамках проекта разработан протокол и специализированное программное обеспечение микроконтроллера ЦГД. Специальный протокол разработанного ЦГД стоит запроса управляющего микроконтроллера системы БСУ и ответа датчика. Запрос состоит из поля стартового байта, байтов команды, байтов данных и контрольной суммы. Ответ сенсора состоит из стартовых байтов, байтов состояния сенсора, байтов данных и контрольной суммы. Состав набора команд может быть разным для разных типов газовых сенсоров, но он должен быть унифицированным. Каждый цикл обмена информацией между ЦГД и микроконтроллером БСУ начинается с перевода микроконтроллером линии SS в состояние «0», а заканчивается возвратом SS в состояние «1». При возникновении ошибки обмена микроконтроллер ЦГД производит многократное повторение цикла обмена. Это необходимо при возникновении ошибки связанной с воздействием внешних помех на цифровую шину или при нарушении контакта в разъеме датчика. Если ошибка обмена не исчезает, производят однократный сброс датчика импульсом низкого уровня по линии RESET цифровой шины. Временные диаграммы последовательного синхронного обмена микроконтроллера ЦГД в режиме SPI с SPO=0, SPH=0 показаны на Рисунке 2.

В рамках проекта также был разработан и изготовлен стенд для проверки характеристик ЦГД. В состав исследовательского стенда вошли следующие приборы: многоканальный генератор газовых смесей, ПК со специализированным ПО, смеситель-гомогенизатор с комплектом газовых коммуникаций, система термостатирования, регуляторы расхода газа, специализированный программатор. Измерительный стенд позволяет исследовать цифровые газовые сенсоры взрывоопасных и отравляющих газов.

Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0134, уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57714X0134) с использованием оборудования ЦКП «Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники» на базе НПК «Технологический центр».

Список литературы

1.     Kay Romer, Mattern Friedemann, “The Design Space of Wireless Sensor Networks”. IEEE Wireless Communications, 2004, pp. 54–61.

2.     ТХАНЬ ФОНГ КУ. Разработка газовых сенсоров с низким энергопотреблением для беспроводных энергонезависимых сенсорных сетей ("умная пыль") // МНИЖ . 2015. №11-2 (42). С.116-122.