Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка сенсорных узлов и универсальной цифровой платформы для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей ( умная пыль ) для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга

Номер контракта: 14.577.21.0133

Руководитель: Баранов Александр Михайлович

Должность: Профессор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
универсальная цифровая платформа, сенсорный узел, беспроводные сенсорные сети, энергоэффективность, самоорганизация сети, энергонезависимая сенсорная сеть, промышленная безопасность, экологический мониторинг.

Цель проекта:
Задача, на решение которой направлен проект. Создание опережающего научно- технологического задела в области создания перспективных беспроводных сенсорных сетей для мониторинга воздушных сред на промышленных предприятиях, жилых объектах, а также для предотвращения техногенных катастроф. Разработка беспроводных сенсорных узлов и макета универсальной цифровой платформы для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей ("умная пыль") для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга. Цели работы 1. Разработка комплекса научно-технических решений в области разработки и создания беспроводных сенсорных узлов и универсальной цифровой платформы для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей ("умная пыль") для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга, обеспечивающих интеграцию газовых сенсоров различного типа для построения быстро разворачиваемых комплексных энергонезависимых систем обеспечения промышленной, техногенной и экологической безопасности. 2. Разработка и создание экспериментального образца беспроводного сенсорного узла для самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей на основе универсальной цифровой платформы с интегрированным в корпус интеллектуальным источником питания и исследование его характеристик

Основные планируемые результаты проекта:
Основные результаты
1. Конструктивно-технологические принципы создания беспроводных сенсорных узлов, обеспечивающих интеграцию газовых сенсоров различного типа, их автономное питание и саморазвертывание сенсорной сети.
2. Алгоритмы обработки и преобразования сигнала чувствительных элементов (газовых сенсоров) сенсорных узлов.
3. Алгоритмы автоматического информирования соответствующих служб и аварийного управления исполнительными устройствами оборудованными интерфейсом связи с поддержкой стандарта беспроводной передачи данных.
4. Энергоэффективный протокол для приема и передачи данных в беспроводных сенсорных сетях мониторинга воздушных сред на промышленных предприятиях, жилых объектах.
5. Экспериментальный образец универсальной цифровой платформы для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей ("умная пыль"), реализующую интеграцию газовых сенсоров различного типа (далее – ЭО УЦП)
6. Экспериментальный образец беспроводного сенсорного узла (далее - ЭО БСУ) для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей на основе универсальной цифровой платформы с интегрированным в корпус интеллектуальным источником питания и накопителем энергии на основе сверхъёмких тонкопленочных конденсаторных ячеек и контуром заряда от альтернативного источника энергии ("умная пыль").

Основные характеристики
1. ЭО УЦП должна обеспечивать энергоэффективный режим потребления со средней потребляемой мощностью не более 1 мВт, при напряжении питания не более 3,3В и обслуживании не менее 4-х газовых сенсоров в том числе, горючих газов (метан или другие), СО, СО2 О2, NOx.
2. ЭО УЦП должен обеспечивать передачу измерительной и служебной информации по беспроводной сети на основе открытого стандарта IEEE 802.15.4 в частотном диапазоне 0,9-2,4 ГГц.
3 ЭО УЦП для интеграции газовых сенсоров различного типа должны иметь:
а) не менее 4 каналов аналого-цифрового преобразования с разрядностью 10 либо 12 бит;
б) не менее 1 канала цифро-аналогового преобразования с разрядностью 8 или 10бит;
в) управляющий микропроцессор с разрядностью 16 или 32 бита;
г) интегрированный источник питания постоянного тока с напряжением 3,3 В и дополнительным программируемым выходом в диапазоне выходных напряжений 0,5-4,5 В и диапазоном рабочего тока 0,5-200 мА;
д) приёмопередатчик с управляющим микропроцессором разрядностью 8 или 16 бит;
3 Разрабатываемый ЭО БСУ должен обеспечивать бесперебойную работу ЭО УЦП в течение не менее 1 года с момента включения и должен включать в себя устройство генерации и накопления электрической энергии от альтернативных источников энергоснабжения.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В ходе выполнения ПНИ должен быть разработан экспериментальный образец беспроводного сенсорного узла (ЭО БСУ) для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей на основе ЭО УЦП с интегрированным в корпус интеллектуальным источником питания и накопителем энергии на основе сверхъёмких тонкопленочных конденсаторных ячеек и контуром заряда от альтернативного источника энергии для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга, обеспечивающих интеграцию газовых сенсоров различного типа для построения быстро разворачиваемых комплексных энергонезависимых систем обеспечения промышленной, техногенной и экологической безопасности.

На территории России находятся более ста тысяч экологически опасных объектов, а также сотни тысяч километров нефтегазовых трубопроводов. Год от года наблюдается рост числа людей работающих в загрязненной атмосфере, растет насыщенность территории России промышленными объектами, использующими токсичные, горючие и взрывоопасные вещества. Таким образом, задача непрерывного контроля состава воздуха промышленных объектов и территорий населенных пунктов является актуальной.
Частично проблема может быть решена путем периодического мониторинга атмосферы переносным газоанализаторами. Однако этот способ не является оперативным и не позволяет своевременно детектировать опасные ситуации и принимать решения по их устранению. Кроме того, существующие системы мониторинга чрезвычайно дороги как сами по себе, так и в обслуживании.
В частности, для непрерывного мониторинга атмосферы промышленного нефтеперерабатывающего предприятия необходимо разместить на его территории соответствующие сенсоры. Причем для эффективного мониторинга необходимо размешать сенсоры не только в разных местах, но и разном высотном уровне. В этом случае, при использовании существующих систем, все предприятие будет «увешано» кабелями электроснабжения и снятия данных.
Поэтому разработка беспроводных, автономных сенсорных сетей для мониторинга массовых выбросов вредных, взрывоопасных и горючих веществ в атмосферу на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, прилегающих к ним территориях, а также в отраслях народного хозяйства, где в условиях производства возможно образование взрывоопасных сред, является актуальной и своевременной задачей в масштабе всего государства.
Однако создание сенсорных сетей на сегодняшнем уровне технологии производства в целом не представляется возможным из-за их высокой трудоемкости и себестоимости. В целом прорыв в этом направлении эффективного мониторинга не возможен без технологического перехода на качественно новый уровень как научный, так и технологический.
Основная проблема, которая требует решения, связана с передачей измерительной информации. Недостатками существующей сенсоров и систем контроля являются: зависимость их от систем электроснабжения и кабельного телеизмерения; уязвимость кабелей к различным повреждениям и помехам, связанным с наводками электромагнитных полей, большой расход кабельной продукции, зачастую соизмеримый по затратам со стоимостью сенсоров. Более того, во многих случаях электропитание вообще может отсутствовать в месте проведения мониторинга. В данном проекте предполагается разработать беспроводную сенсорную сеть на базе стандарта для беспроводной связи ZigBee с энергонезависимыми сенсорными модулями. Беспроводные энергонезависимые сенсорные модули (БЭСМ) будут иметь исключительно автономное питание. Для увеличения времени автономной работы будут разработаны динамические методы проведения измерений, обеспечивающие высокую чувствительность и селективность измерений.
Вторая проблема-это наличие различного типа сенсоров, обеспечивающих измерение состава атмосферы. Эти сенсоры имеют различные схемы подключения и требуют индивидуального питания. В результате этого, каждый производитель газоаналитического оборудования разрабатывает свои собственные датчики, которые не совместимы с сенсорами других производителей, а сенсорные модули которых не могут работать в составе единой сенсорной сети. Это ограничивает области применения сенсорных сетей. В то же время беспроводной сенсорный модуль состоит из аналоговой части (которая включает сами сенсоры) и цифрой части (которая включает микроконтроллер и передатчик). В проекте предполагается разработать универсальную цифровую платформы беспроводных энергонезависимых сенсорных модулей, которая обеспечить подключение сенсоров различных типов.
Третье проблема состоит в том, что разрабатываемые беспроводные сенсорные сети представляют собой изолированные каналы передачи данный, которые не коммутируются с уже существующими сетями управления и автоматизации зданий и промышленный объектов. В связи с этим назрела необходимость интеграции беспроводных систем управления в существующие системы автоматизации. Для этого в проекте предполагается использовать сетевой протокол BACnet (ISO 16484-5) уже достаточно широко применяемый в системах автоматизации зданий и сетях управления и гарантирующий возможность взаимодействия между устройствами различных производителей. При этом беспроводная сенсорная сеть позволит максимально эффективно предотвращать катастрофические последствия за счет централизованного управления промышленной безопасностью. Наряду с этим за счет сочетания в сенсорной сети как индивидуальной (локальной), так и общей сигнализации, дублирования каналов передачи данных, автоматической отработки действий по предупреждению пожаров и взрывов на ранней стадии, превращает ее в интеллектуальную сенсорную сеть и позволит фактически исключить пресловутый человеческий фактор.
Четвертая проблема состоит в необходимости иметь электрические сети в местах осуществления мониторинга. Для решения этой проблемы будет разработано устройство питания устройств беспроводной сенсорной сети на основе возобновляемых источников энергии. Это обеспечит устройствам сенсорной сети энергонезависимость от источников питания.
Подобные сенсорные сети для мониторинга окружающей атмосферы отсутствую в России и в мире.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения результатов.

Полученные в ходе ПНИ результаты будут способствовать развитию научно-технического и производственно-технологического потенциала Российской Федерации в области разработки и производства изделий электронной техники, входящих в состав:
- систем безопасности промышленных объектов;
- систем экологического мониторинга;
- техники МЧС.
Результаты могут быть использованы в различных отраслях производства, на предприятиях:
• газовой и нефтяной промышленности
• нефтеперерабатывающей промышленности
• химической промышленности
• энергетики
• горнодобывающей промышленности
• угольной промышленности
• металлургии
• пищевой промышленности

Результаты работы в дальнейшем должны обеспечить серийное производство беспроводных сенсорных сетей, не зависящих от источников сетевого питания и способных контролировать безопасность и экологическую обстановку в жилых и промышленных помещениях, а также на территориях промышленных предприятий, шахт и газопроводов.

Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования

1. Разрабатываемый алгоритм обработки и преобразования сигнала чувствительных элементов сенсорных узлов будет предусматривать интеграцию газовых сенсоров различного типа (полупроводниковых, термокаталитических, электрохимических, оптических) в составе одной универсальной цифровой платформы, энергоэффективные и энергосберегающие режимы работы, самодиагностику работы узла, а также саморазвертывание сенсорной сети при включении/перезапуске сенсорных узлов.
2. Разрабатываемый ЭО УЦП предназначен для работы в беспроводных сетях, работающих в стандарте беспроводной передачи данных IEEE 802.15.4.
3. Разрабатываемый ЭО БСУ будет обеспечивать его бесперебойную работу в составе беспроводной самоорганизующейся и энергонезависимой сенсорной сети для мониторинга воздуха на промышленных предприятиях и жилых объектах в течение не менее 1 года с момента включения.
4 Разрабатываемые алгоритм автоматического информирования и аварийного управления исполнительными устройствами и научно-технические принципы создания систем промышленной безопасности и экологического мониторинга с использованием самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей будут включать в себя возможность автоматического информирования соответствующих служб и аварийного управления исполнительными устройствами оборудованными интерфейсом связи с поддержкой стандарта беспроводной передачи данных IEEE 802.15.4.

Текущие результаты проекта:
Выполнена разработка экспериментального образца универсальной цифровой платформы для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей, реализующий интеграцию газовых сенсоров различного типа. ЭО УЦП содержит источник питания, управляющий микроконтроллер, микросхему приемопередатчика стандарта IEEE 802.15.4, средства для аварийной сигнализации и датчики газа различных типов.
Разработан протокол, обеспечивающий возможность приема и передачи данных в беспроводных сенсорных сетях мониторинга воздушных сред на промышленных предприятиях и жилых объектах. Протокол встраивается в стек протоколов стандарта IEEE 802.15.4 и использует стек протоколов ZigBee для организации сети. Сетевой уровень протокола, включающих в себя контроль целостности и корректности передачи данных, обеспечивается средствами ZigBee. Выполнение команд и чтение и запись данных регистров осуществляется на уровне приложения стека протоколов.
Разработан алгоритм автоматического информирования и аварийного управления исполнительными устройствами. Данный алгоритм выполняет оценку универсального относительного значения сигнала каждого датчика и в зависимости от этого значения осуществляет автоматическое информирование оператора сети в различных режимах и, в случае необходимости, аварийное управление исполнительными устройствами в соответствии с заранее выбранными командами.
Проведено математическое моделирование энергопотребления ЭО УЦП в различных режимах работы. Для проведения моделирования была использована эквивалентная модель электрической схемы.По результатам моделирования определено среднее энергопотребление устройства в каждом режиме. Определено, что для достижения целевого значения энергопотребления устройства 1 мВт, значение длительности режима ожидания должно составлять не менее 175 с.
Выбран алгоритм измерений с предварительным нагревом элемента термокаталитического сенсора до температуры, незначительно превышающей 100 градусов Цельсия, и последующим нагревом до рабочей температуры (450 градусов Цельсия). Такой режим проведения измерений обеспечивает среднее энергопотребление ЭО УЦП не превосходящее 1 мВт при установке четырех различных датчиков газов при применении элементов термокаталитических производства ООО «НТЦ ИГД».
Выбраны электрохимические сенсоры для энергоэффективного измерения CO, H2S, NO2. Разработана схема включения электрохимических сенсоров, включающая схему управления питанием. Средняя потребляемая мощность разработанной схемы составляет менее 0,1 мВт для каждого сенсора.
Разработана схема автономного питания ЭО УЦП с накопителем энергии на основе сверхъёмких тонкопленочных конденсаторных ячеек и контуром заряда от альтернативного источника энергии.
Разработан макет интеллектуального источника питания интегрируемого в корпус сенсорного узла с возможностью генерации и накопления электрической энергии от альтернативных источников энергоснабжения.
Разработан ЭО БСУ для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей на основе ЭО УЦП с интегрированным в корпус интеллектуальным источником питания и накопителем энергии на основе сверхъёмких тонкопленочных конденсаторных ячеек и контуром заряда от альтернативного источника энергии.