Беспроводные сенсорные сети в являются самой передовой технологией в области самоорганизующихся систем контроля и управления различными процессами на промышленных объектах. В настоящее время актуален вопрос создания новых пространственно-распределѐнных беспроводных сенсорных сетей (БСС) для контроля концентрации взрывчатых и опасных газов на промышленных объектах нефтегазовой и химической отрасли промышленности[1]. Беспроводная сенсорная сеть представляет собой совокупность вычислительных устройств, объединенных в самоорганизующуюся сеть с помощью радиоканала.

Современные беспроводные  сенсорные  узлы  (БСУ) на  объектах промышленной инфраструктуры,  как правило, состоят из  приемопередатчика,  газового  датчика,  интеллектуального  источника  питания (ИИП)  на основе альтернативных источников энергии [2], малопотребляющего микроконтроллера (Рисунок 1). Разрабатываемые промышленные беспроводные узлы (Рисунок 2) включают в себя универсальные газовые датчики, которые обладают единым цифровым протоколом и интерфейсом обмена данными, одним набором команд, методиками настройки, калибровки и поверки. На промышленных объектах устанавливаются именно такие сенсорные сети совместно с универсальным программно-аппаратным комплексом сбора и анализа данных.

Для реализации программно-аппаратного комплекса сбора и анализа данных беспроводных сенсорных сетей требуется центральный высокопроизводительный сервер, к которому подключен usb-uart zigbee приемопередающий модуль – узел сбора информации.

На Linux сервере оператора устанавливается универсальное сетевое программное обеспечение LabVIEW и MySQL база данных. Иногда в сети сбора данных присутствует шлюз Ethernet – zigbee.

Сетевое серверное приложение обладает функциями анализа, сбора и обработки информации в режиме реального времени. Приложение на сервере оператора позволяет визуально отображать полученные данные с нескольких сенсорных узлов в виде интерактивных графиков с возможностями автоматического масштабирования, а также получения информации в цифровом формате (Рисунок 3). Дополнительные функции позволяют оператору сервера удаленно изменять или обновлять ПО удаленных сенсорных узлов [3]. Приложение позволяет оператору создать свой набор правил для анализа полученной информации. Сбор результатов промышленного мониторинга выполняется следующими способами: по расписанию, по запросу от оператора, по запросу от мобильных устройств, при возникновении внештатной ситуации. В первом случае информация от контроллеров и терминалов передается на центральный сервер оператора в определенные моменты времени согласно расписанию перехода сенсорных узлов в «активное» состояние и сбора показаний с датчиков.

В остальные периоды времени сенсорные узлы находятся в «спящем» режиме пониженного энергопотребления [4]. Во втором случае диспетчер производит адресный или широковещательный опрос сенсорных узлов на предмет сбора требуемой информации. В третьем случае опрос производится путем инициирования сбора информации с узлов через диспетчерский сервер, либо путем локального опроса узлов с мобильного устройства в зоне радиодоступа. При наступлении внештатной ситуации активация «спящих» узлов и передача информации с координатами места возникновения аварийного события производится узлами самостоятельно. Событие регистрируется на сервере и записывается в базу данных, далее данные передаются руководителям.

Дополнительные функции программно-аппаратного комплекса позволяют оператору сервера проводить выборку данных с сенсорных устройств по различным параметрам, как в режиме реального времени, так и с определенной периодичностью. Используя выборку данных, оператор сервера имеет возможность подготовить и сгенерировать отчет о ходе мониторинга. Программа позволяет удаленно обновлять программное обеспечение у сенсорных устройств. Программное обеспечение поддерживает функции аварийной сигнализации и управления тревожными сообщениями, для случаев получения критических данных от сенсорных устройств.

В настоящее время современные отечественные технологии позволяют создавать элементную базу для реализации оптимальных схемотехнических и конструктивно-технологических решений по созданию БСУ с использованием высокочувствительных газовых сенсоров. Импортное программное обеспечение позволяют создать высоко функциональный программно-аппаратный комплекс сбора и анализа данных беспроводной сенсорной сети газовых сенсоров для обеспечения промышленной безопасности.

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.

3.     Суханов А.В. Разработка zigbee-совместимого механизма удаленного обновления программного обеспечения микроконтроллера сенсорного узла / Проблемы и достижения в науке и технике // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. № 2. Омск 2015. С. 32-34

4.     Суханов А.В., Артемова А.И., Евмириди А.С. Анализ энергопотребления и энергоэффективности автономных беспроводных сенсорных узлов / Вопросы технических наук: новые подходы в решении актуальных проблем / Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. № 2. Казань, 2015. С. 5-7