Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей газовых датчиков для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга.

Номер контракта: 14.577.21.0134

Руководитель: Суханов Владимир Сергеевич

Должность: Начальник лаборатории НПК «Технологический Центр» МИЭТ

Организация: федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ"

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

Цель проекта:
Разработка комплекса научно-технических решений в области разработки и создания беспроводных сенсорных узлов (БСУ) и универсальной цифровой платформы (УЦП) 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. Исследование и разработка новых конструктивно-технологических методов создания энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей газовых датчиков с использованием отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ).

Основные планируемые результаты проекта:
Конструктивно-технологические принципы создания беспроводных сенсорных узлов, обеспечивающих интеграцию газовых сенсоров различного типа, их автономное питание и саморазвертывание сенсорной сети.
Экспериментальные образцы беспроводных сенсорных узлов реализующие интеграцию газовых сенсоров различного типа.
Алгоритмы обработки и преобразования сигнала чувствительных элементов сенсорных узлов.
Энергоэффективные алгоритмы и протоколы для приема и передачи данных в беспроводных сенсорных сетях мониторинга воздушных сред на промышленных предприятиях, жилых объектах.
Предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов ПНИ, вовлечению их в хозяйственный оборот.
Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Будут разработаны конструктивно-технологические принципы создания беспроводных сенсорных узлов, обеспечивающих интеграцию газовых сенсоров различного типа, их автономное питание и саморазвертывание сенсорной сети. Разрабатываемый в ходе ПНИ комплекс научно-технических решений должен обеспечить создание сенсорных узлов для построения масштабируемых самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей, предназначенных для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга на объектах площадью более 2*106 м2 и объемом более 100*106 м3 при эффективной скорости передачи полезных данных не менее 250 Кб/с.
Техническая реализация универсальной цифровой платформы и беспроводного сенсорного узла будет основываться на использовании современной отечественной ЭКБ (бескорпусные БИС приемопередатчиков и микроконтроллеров). В целях миниатюризации УЦП будут использованы технологии 2,5D многокристальной сборки.
Разработанные конструктивно-технологические принципы создания беспроводных сенсорных узлов с использованием отечественной ЭКБ позволяют провести импортозамещение в беспроводных изделиях отечественного производства. Техническая реализация БСУ с использованием отечественной ЭКБ соответствует современному мировому уровню в области создания систем мониторинга.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты работы 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. Разработка беспроводной сенсорной сети с использованием отечественной ЭКБ позволит решить задачи мониторинга и контроля, которые критичны к времени автономной работы датчиков. Основной областью применения сенсорных сетей является контроль, и мониторинг измеряемых параметров различных физических полей, сред и объектов. Достоинства систем на основе универсальной цифровой платформы сенсорных сетей: возможность расположения в труднодоступных местах, оперативность и удобство развертывания и обслуживания системы, надежность сети, возможность добавления или исключения любого количества устройств из сети, длительное время работы без замены элементов питания.
В настоящее время разработка и внедрение самоорганизующихся сенсорных сетей на основе универсальной цифровой платформы позволит создать широкий класс энергонезависимых систем мониторинга работающих в режиме реального времени. В ближайшие годы системы мониторинга на основе беспроводных сетей будут активно развиваться и внедряться в реальный сектор экономики.


Текущие результаты проекта:
В 2015 году выполнялись мероприятия на втором и третьем этапе ПНИ согласно план-графику исполнения обязательств.
На втором этапе ПНИ в 2015 году проводились теоретические и экспериментальные исследования поставленных перед ПНИ задач. Проводилось математическое моделирование параметров электрической схемы экспериментального образца (ЭО) универсальной цифровой платформы (УЦП). Разработанная математическая модель электрической схемы УЦП детально раскрывает взаимодействие в схеме РЭА компонентов и их вольт-амперные характеристики. Математическое моделирование параметров электрической схемы ЭО УЦП позволило смоделировать основные электрические цепи, входящие в состав интегрированного источника питания. Разработанная модель использования импульсного преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией позволила смоделировать программно-аппаратную поддержку режима пониженного энергопотребления ЭО УЦП. Основные результаты моделирования параметров электрической схемы были использованы на третьем этапе ПНИ при построении интеллектуального источника питания (ИИП) на основе альтернативных источников питания. На втором этапе ПНИ изготовлен ЭО УЦП для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей ("умная пыль"), реализующую интеграцию газовых сенсоров различного типа. ЭО УЦП для интеграции газовых сенсоров разработан на основе 32-разрядного RISC-микроконтроллера с 8-канальным 24-разрядным ∑Δ АЦП, интегрированным источником питания постоянного тока, отечественного приёмопередатчика стандарта IEEE 802.15.4 и имеет программно-аппаратную поддержку режима пониженного энергопотребления. Были проведены экспериментальные исследования ЭО УЦП с использованием разработанных программ и методик. Проведенные исследования ЭО УЦП показали правильность конструктивно-схемотехнического решения. Была подготовлена эскизная конструкторская и технологическая документация на ЭО УЦП. В рамках второго этапа ПНИ за счет внебюджетных средств сотрудники исполнителя приняли участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов проекта. Основные тезисы, статьи и доклады опубликованы в научно-технических сборниках и в библиографической базе данных научных публикаций российских учёных, а также в базе данных Scopus. На втором этапе индустриальным партнером были изготовлены макетные образцы кристаллов микроконтроллеров 1986ВЕx, а также проведены испытания электрических характеристик.
На третьем этапе ПНИ в 2015 году проводились теоретические и экспериментальные исследования поставленных перед ПНИ задач. Была разработана схема автономного питания ЭО УЦП с накопителем энергии на основе сверхъёмких тонкопленочных конденсаторных ячеек и контуром заряда от альтернативных источников энергии. На основе разработанного схемотехнического решения был изготовлен экспериментальный образец ИИП. Для создания ИИП были использованы альтернативные источники энергии: радиочастотный энергохарвестер, пьезоэлектрический вибрационный энергохарвестер и солнечная панель. В основе изготовленного ИИП был использован контроллер управления зарядом аккумуляторов от маломощных источников энергии. На третьем этапе была разработана программа и методики лабораторных испытаний макета интеллектуального источника питания интегрируемого в корпус сенсорного узла. Проведенные лабораторные испытания макета ИИП показали правильность конструктивно-схемотехнического решения. На третьем этапе была подготовлена эскизная конструкторская документация на макет ИИП. В рамках третьего этапа ПНИ за счет внебюджетных средств сотрудники исполнителя разработали и изготовили стенд для исследования характеристик газовых сенсоров, а также стенд для исследования беспроводной сети. На третьем этапе индустриальным партнером были изготовлены макетные образцы кристаллов микроконтроллера 1986ВЕx с шариковыми выводами.