Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0120

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0120
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)"
Название доклада
Комплекс беспроводных энергонезависимых датчиков температуры и деформаций для бортовой аппаратуры управления и контроля на основе радиочастотной идентификации
Докладчик
Дудников Сергей
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является разработка и построение действующего макета беспроводного датчика для контроля температуры и деформации для бортовой аппаратуры летательных аппаратов (ЛА).
Задачи данного этапа работы заключаются в следующем:
- Обоснование варианта построения разрабатываемых датчиков, в том числе стандарта беспроводной связи, схемотехники датчика, первичных преобразователей и схемы электропитания.
- Сравнительный анализ отечественных и импортных базовых комплектующих для создания устройств, формирование требований и рекомендаций для отечественных производителей базовых комплектующих
- Разработка концепции создания беспроводных систем передачи данных и контроля внешних параметров при помощи датчиков на основе открытого международного стандарта EPC C1G2/ISO/IEC18000-63(C) для космической техники с учетом возможностей отечественной производственной базы.
- Разработка технологии измерений требуемых параметров контролируемых объектов, фиксации результатов во внутренней памяти датчика и передачи по радиоканалу системе сбора информации.
- Изготовление макетов датчиков со встроенными сенсорами для измерения температуры и деформации.
- Исследовательские испытания датчиков в условиях, приближенных к условиям на космических аппаратах.
Актуальность и новизна исследования
Существующие проводные системы датчиков практически исчерпали свой потенциал по минимизации размеров и веса. В то же время, существующие системы беспроводного контроля, в частности, температуры и влажности, основанные на различных вариациях протоколов WiFi и Zigbee, разрабатывались для наземного применения и не годятся для авиакосмических применений. Необходимость постоянной двусторонней связи влечет за собой повышенный расход энергии, что увеличивает вес и стоимость встроенных батарей, либо требует проводного источника энергии, что обесценивает все преимущества, связанные с беспроводной работой датчиков. Одновременная работа нескольких десятков устройств сильно «засоряет» радиоэфир и снижает надежность работы таких систем в замкнутых пространствах летательных или космических аппаратов.
Таким образом, можно констатировать, что в настоящее время не существует распределенных бортовых систем контроля, сочетающих в себе компактность, минимальные требования к изменению внутренней инфраструктуры, низкие вес и цену устройств, высокую надежность.

Существенной новизной нашего решения является возможность комбинирования радиоинтерфейсов, используемых для опроса состояния, сбора данных, накопленных сенсорами, и управления сенсорной меткой. Основным радиоинтерфейсом является RFID, что обеспечивает возможность быстрой проверки состояния большого количества меток, расположенных в поле считывателя. В то же время, при необходимости быстрого сбора большого количества данных, накопленных меткой, разработанная платформа имеет возможность использования других радиоинтерфейсов (WiFi, Bluetooth, BLE, NFC и т.д.).
Описание исследования

Для организации беспроводного доступа в разработанном устройстве использована микросхема IPJ-P6005-X2AT фирмы Impinj (Monza X-8K UHF Gen2 RFID), которая, в основном, используется в RFID метках. Одной из особенностей данной микросхемы является наличие 8 кБит энергонезависимой памяти, которая доступна как для чтения, так и для записи через радиочастотный интерфейс RFID и через интерфейс I2C от внешнего микроконтроллера. Данный тип беспроводной связи также позволяет упростить организацию сети из нескольких устройств мониторинга, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга, поскольку разрешение коллизий обеспечивается на аппаратном уровне самого интерфейса RFID.

В результате микроконтроллер не занимается обслуживанием радиоканала и может находиться в режиме пониженного энергопотребления любой необходимый интервал времени. Кроме того, технология RFID обеспечивает питание радиочастотной части устройства непосредственно от энергии радиоволн, что также позволяет радикально сократить энергопотребление.

Установка параметров работы устройства производится через выделенную область общей памяти микросхемы RFID-интерфейса. В процессе работы устройства через заданные интервалы времени микроконтроллер производит чтение данных со всех датчиков и их запись в энергонезависимую память RFID-микросхемы. Чтение результатов измерений производится внешним RFID-считывателем без участия микроконтроллера. Таким образом полностью исключается наиболее энергозатратный процесс обслуживания радиоканала.

Снижение энергопотребления беспроводных датчиков без учета радиоканала до минимально возможного уровня достигается выбором лучших по данному параметру компонентов. В качестве микроконтроллера предпочтительным выбором будет серия MSP430 фирмы Texas Instruments. 

Контроль уровня деформаций требует записи достаточно большого количества данных, которые не смогут поместиться в энергонезависимой памяти RFID микросхемы. Для их хранения используется дополнительная Flash память. Модуль запоминающего устройства состоит из двух микросхем Flash памяти объемом 16 мегабайт каждая. Количество микросхем в системе определяется необходимым объемом регистрируемых данных. Поскольку память имеет последовательный доступ, возможно использование микросхем другой емкости с аналогичной цоколевкой что позволяет либо увеличить емкость запоминающего устройства, либо снизить стоимость при уменьшении емкости.

Передача накопленных данных большого объема через RFID интерфейс требует очень большого времени, и для этого в системе используется дополнительный беспроводной Bluetooth канал передачи данных. Модуль Bluetooth основан на интегрированном модуле типа WT12 (Bluegiga). WT12 - модуль второго класса мощности, соответствующий спецификации Bluetooth 2.1 + EDR. Это высокоинтегрированный модуль Bluetooth, содержащий все необходимые аппаратные и программные компоненты, начиная от физического уровня Bluetooth и приемопередающей антенны и заканчивая полнофункциональным стеком протоколов верхнего уровня iWRAP оригинальной разработки компании BlueGiga. Данный модуль гарантированно обеспечит передачу данных на максимально возможной скорости, но имеет относительно высокое энергопотребление. Для снижения энергопотребления питание на модуль подается через ключ и может быть снято. Дополнительный разъем позволяет подключить внешний модуль, например, комбинированный Bluetooth/BLE либо BLE стандарта 4.2 с повышенной скоростью передачи данных.

Для питания компонентов системы используется высокоэффективный повышающий DC/DC-преобразовательTPS61291, который работает в двух режимах. Если измеренное микроконтроллером напряжение на батарее больше 3 В, то конвертор работает как ключ, передавая напряжение питания напрямую на электронные компоненты и обеспечивая КПД близкий к 100%. При снижении напряжения питания до 3 В микроконтроллер переключает конвертор в режим повышающего преобразователя с выходным напряжением 3 В (минимальное напряжение питания для нескольких элементов системы 2.7В) с КПД порядка 90%. Таким образом можно сохранить работоспособность системы вплоть до напряжения батареи 1.5 В.

Для питания относительно редко используемых компонентов системы, таких как Flash память и Bluetooth модуль, используется ключ TPS22960. 

Результаты исследования

Алгоритм работы программного обеспечения микроконтроллера относительно прост, поскольку подразумевает периодический опрос датчиков системы с последующим сохранением данных в одном из запоминающих устройств. Основная сложность заключается в корректном выборе режимов работы компонентов системы с минимальным энергопотреблением. Алгоритм включает в себя следующие этапы:

  • запуск измерения и чтения данных с датчиков через заданный интервал времени;
  • анализ данных и выявление выхода измеряемых параметров за пределы установленных пороговых значений;
  • запись результатов измерений во внутреннюю энергонезависимую память микроконтроллера и, в случае срабатывания пороговых условий, в энергонезависимую память RFID микросхемы;
  • запись данных во внешнюю Flash память в случае накопления полного блока данных в микроконтроллере;
  • анализ запроса на передачу данных по Bluetooth каналу (запрос осуществляется при помощи передачи командной последовательности по RFID интерфейсу) и передача в случае необходимости (т.е., например, в случае выхода какого-либо из измеряемых данных за пределы установленного диапазона и потребности в анализе всех накопленных данных);
  • анализ напряжения батареи и выставление флага ошибки в соответствующий регистр RFID микросхемы в случае снижения напряжения ниже критического;
  • переход в энергосберегающий режим и запуск таймера на включение микроконтроллера через заданный интервал времени.

Устройство мониторинга с передачей данных посредством RFID-технологии при чтении данных с датчиков с интервалом 1 минута имеет среднее потребление не более 25 мкА от батареи напряжением 3,6 В. Таким образом, средняя потребляемая устройством мощность не превышает 90 мкВт. Дальнейшее увеличение времени автономной работы до пяти и более лет возможно при наличии дополнительного источника питания. Таким источником питания может служить устройство сбора энергии (energy harvesting). 

Разработанное устройство при питании от аккумуляторной батареи емкостью 2000 мА×ч при интервале регистрации измеряемых параметров от 10 до 100 секунд обеспечивает непрерывное функционирование в течении пяти лет и более.

Исходя из вышесказанного можно сформулировать основные критерии конструкции беспроводных энергонезависимых датчиков:

  • выбор элементной базы должен проводиться по критерию минимального энергопотребления, достигнутому на сегодняшний день, при обеспечении требуемых точностных параметров;
  • в качестве основного беспроводного интерфейса следует отдать предпочтение технологии RFID, поскольку она не нуждается в питании от основной батареи;
  • в случае необходимости передачи по беспроводному интерфейсу больших объемов данных возможно применение других стандартных приемопередатчиков с безусловным отключением их питания для экономии энергии и подачей питания только по запросу через основной беспроводной канал;
  • в случае, если в месте размещения датчика имеется соответствующая техническая возможность, следует использовать дополнительные источники энергии (устройства сбора энергии).
Практическая значимость исследования
На основе результатов данного проекта можно построить универсальную платформу, обеспечивающую подключение сенсоров любых физических величин, с любыми доступными стандартными и проприетарными радиоинтерфейсами, с высокой скоростью и опроса, и передачи данных, и со всеми возможными способами питания датчиков, от батарейных до разнообразных харвестеров энергии. Это позволит существенно расширить область применения беспроводных датчиков.