Беспроводные сенсорные сети в настоящее время являются актуальной передовой технологией в области самоорганизующихся систем контроля и управления различными процессами. В настоящее время актуален вопрос создания беспроводных сенсорных сетей (БСС) для контроля концентрации взрывчатых и опасных газов на промышленных объектах [1].

Современные беспроводные сенсорные узлы (БСУ) состоят из микроконтроллера, приемопередатчика, газового датчика, интеллектуального источника питания (ИИП) на основе альтернативных источников энергии. Разрабатываемые промышленные БСУ должны включать в себя универсальные газовые датчики, которые обладают один цифровым протоколом и интерфейсом обмена данными, одним набором команд, методиками настройки, калибровки и поверки. Для обслуживания таких БСС требуются возможность «горячей замены» и частая калибровка датчиков.

Для обеспечения универсальности газовый датчик представляет собой аналогово-цифровую схему (Рисунок 1) с микроконтроллером, который используя АЦП преобразует показания чувствительного элемента, передает обработанные данные в едином протоколе по шине SPI.У таких универсальных газовых сенсоров всегда один разъем подключения к БСУ, который содержит - вход питания, сигнал сброса RST, интерфейс SPI, вход опорного напряжения для АЦП датчика и земля. Заменяется лишь чувствительный элемент и иногда схема измерения сигнала.

Аналогово-цифровая схема газового датчика выполнена на основе микроконтроллера, который имеет n- разрядный АЦП с дифференциальными входами и внутренним усилителем. Включение сенсорного элемента по дифференциальной схеме удобно с точки зрения использования чувствительных элементов с токовым выходом, так как для получения выходного сигнала по напряжению выход датчика шунтируется резистором малой величины. Используемый микроконтроллер всегда содержит датчик температуры, который позволяет проводить компенсацию температурной зависимости чувствительного элемента. Датчик имеет EEPROM память, в которой сохраняются настроечные константы на конкретный чувствительный элемент. Обмен данными между микроконтроллером БСУ и газовым датчиком осуществляется по цифровой шине SPI. Каждый цикл обмена начинается с перевода микроконтроллером линии SS в состояние «0», а заканчивается возвратом SS в состояние

«1». При возникновении ошибки обмена микроконтроллер датчика 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. В состав программы обмена данными с датчиком, также входит подпрограммы расчета контрольной суммы CRC, преобразования считанных из датчика данных в целое число и число с плавающей запятой и т.д.

Используемые чувствительные элементы в аналогово-цифровой схеме имеют разные принципы работы – электрохимический, термокаталитический и.т.д. Принцип работы термокаталитического чувствительного элемента заключается в следующем: через газопроницаемую мембрану горючий газ поступает на два миниатюрных керамических чувствительных элемента (Рисунок 2). Внутри чувствительного элемента находится платиновая спираль, нагреваемая протекающим током. Один из чувствительных элементов имеет каталитическое покрытие, которое окисляет омывающий его газ, что приводит к повышению его температуры. Это повышение можно измерить благодаря изменению сопротивления платиновой спирали внутри активного чувствительного элемента. Это сопротивление сравнивается с сопротивлением пассивного чувствительного элемента. В диапазоне концентраций горючего газа от 0 до 100% нижнего предела взрываемости соотношение этих сопротивлений будет пропорционально концентрации газа.

Принцип работы электрохимического сенсора заключается в следующем: газ, через противопылевой фильтр (выполняющий кроме того функцию селективного фильтра), и гидрофобную мембрану попадает на газопроницаемый измерительный электрод из благородного металла (Рисунок 3). Высвобождающиеся при этом электроны проходят через электролит и эталонный электрод и образуют во внешней цепи электрический ток. Сила этого тока прямопропорциональна концентрации измеряемого газа. С помощью контрэлектрода потенциал электродов поддерживается на постоянном уровне, значительно повышая стабильность сенсора и улучшая его измерительные свойства. Селективный фильтр спроектирован для устранения эффекта перекрестной чувствительности. Фильтры пропитаны специальным веществом, связывающим с помощью химической реакции определенные газы, к которым имеется перекрестная чувствительность у сенсора.

Также при создании автономных БСУ с использованием газовых сенсоров требуется учитывать энергопотребление и энергоэффективность составных частей. Средний потребляемый ток термокаталитического чувствительного элемента в рабочем режиме при включенном нагревателе – не более 60мА, при выключенном нагревателе – не более 10мА, в спящем режиме - не более 500 мкА. Средний потребляемый ток электрохимического чувствительного элемента в рабочем режиме - не более 1200 мкА, в спящем режиме - не более 200 мкА.Для оптимизации энергопотребления в БСУ используется ИИП. Основными компонентами в ИИП является контроллер заряда [2], который позволяет заряжать небольшие одноэлементные батареи, черпая энергию от маломощных источников энергии, а также импульсные преобразователи напряжения (ИПП) с широтно-импульсной модуляцией и высоким КПД. Используя ИПП, можно создать несколько контролируемых цепей питания, первая - постоянная для микроконтроллера БСУ, вторая – отключаемая для приемопередатчика, третья – отключаемая для питания газового датчика и его опорного напряжения АЦП.

Современные отечественные технологии позволяют создавать элементную базу для реализации оптимальных схемотехнических и конструктивно-технологических решений по созданию БСУ с использованием высокочувствительных газовых сенсоров.

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.     Суханов А.В., Прокофьев И.В., Гусев Д.В. Мультиагентная система мониторинга web-датчиков, созданная на основе наносенсорики // Нано- и микросистемная техника. -2014. №6. –С. 42-45.

2.     Суханов А.В. Интеллектуальный источник питания на основе альтернативных источников энергии для беспроводных сенсорных сетей // Актуальные вопросы науки и техники. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. № 2. Самара, 2015. С. 13-16.