Минобрнауки России ЮгоЗападный государственный университет
 Скачать 1.36 Mb.
|
|
1.2 Анализ существующих средств контроля климатических показателей в помещениях Проблема обеспечения качества воздуха в помещениях медицинских учреждений остается одной из наиболее актуальных на протяжении последних десятилетий [19]. Системы управления климатом используется для поддержания и изменения параметров температуры, влажности и циркуляции свежего воздуха внутри помещений. Современные системы управления климатом представляют собой довольно сложные системы автоматического регулирования, осуществляющие поддержание параметров воздуха в Изм Лист №докум Подп Дата Лист 18 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ контролируемых объемах в заданных пределах на основании сигналов, поступающих с датчиков температуры и влажности [20]. В работе [21] описана система контроля температуры и влажности в помещении по средствам беспроводной технологии передачи измерительной информации. Данная система удаленного мониторинга основана на программно-аппаратных средствах платформы Arduino с микроконтроллером Atmega 328P. В качестве датчика температуры и влажности используется сенсорная микросхема SHT21, поскольку она имеет более высокие метрологические характеристики. Передача данных с датчика на ПК реализована с помощью принципа кодоимпульсной модуляции. Передатчик измерительного радиоканала 433 МГц выполнен на типовой схеме и имеет выходную мощность на эквиваленте нагрузки 50 Ом до 15 мВт. Данная система мониторинга климатических условий серверного помещения производит измерения и передает измерительную информацию на пульт системного администратора. Микроконтроллер, в свою очередь, на стороне приема производит обработку полученной информации с последующим выводом на монитор и регистрирующее устройство. В момент фиксирования критического показания температуры или влажности активируется устройство акустического оповещения. Помимо описанной выше системы существует еще один вариант обеспечения климат контроля в помещения. Для реализации данного проекта в работе [22] основными элементами устройства являются микроконтроллер AVR Atmega 8515 и термодатчик DS18B20. Принцип работы данного прибора заключается в следующем: при включении устройства на дисплей выводится информация о подключенных датчиках измерения температуры. Затем показания, которые поступают с датчиков, выводятся на дисплей. После этого происходит сравнение температуры окружающей среды с температурой, которую необходимо поддерживать в помещении. При анализе данного показателя выводится Изм Лист №докум Подп Дата Лист 19 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ решение, которое позволяет при необходимости включить кондиционер или же нагревательный элемент. Температура, которую необходимо поддерживать в помещении, задается программно. В целях поддержания требуемого климатического режима в помещении была разработана система локального контроля и мониторинга температуры и влажности [23]. Локальная система разработана под управлением микроконтроллера Arduino UNO, а в качестве датчика температуры и влажности использован DHT22, в виду его малой погрешности и большого диапазона считываемых данных. Для работы с данной системой её необходимо подключить к компьютеру через USB-порт и запустить соответствующую программу. Система осуществляет передачу данных в режиме «online» и вывод обновленных данных на экран с интервалом около двух секунд. При этом данные, собранные после запуска программы, хранятся до тех пор, пока пользователь не закроет ее (возможно хранение данных с записью их в отдельном файле). Для прослеживания изменений предусмотрен просмотр графиков изменения параметров температуры и влажности с течением времени. Кроме того к системе возможно подключение звуковой сигнализации, которая позволяет предупредить пользователя при превышении заданных норм. Также возможно подключение терморегуляторов, осушителей или увлажнителей, которые будут работать автоматически, поддерживая заданные пользователем нормы температуры и влажности. Помимо описанных выше систем контроля климатических показателей существует устройство, позволяющее проводить дистанционный мониторинг окружающей среды на основе технологии беспроводных сенсорных сетей [24]. Данная полезная модель предназначена для непрерывного контроля температуры, влажности, освещенности в атмосфере, жилых и производственных помещений. Устройство содержит, по меньшей мере, один Изм Лист №докум Подп Дата Лист 20 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ метеодатчик (1), блок световой сигнализации (2), систему управления (3), сменный программируемый модуль (4), состоящий из микроконтроллера (5), внешней памяти (6) и приемопередатчика (7), соединенного с блоком интерфейсов (8), который соединен, по меньшей мере, с выходом метеодатчика (1), интерфейсным устройством соединения с персональным компьютером (9), а также блоком электропитания (10) (рисунок 1.1). Сменный программируемый модуль (4) включает в себя приемопередатчик (7), совместимый со стандартом IEEE 802.15.4 для работы в составе беспроводной сенсорной сети. Блок интерфейсов (8) содержит интерфейсы сопряжения I 2 С (11), SPI (12), UART (13), а также блок световой сигнализации (2) и программируемую систему управления (3), которые соединены с интерфейсным устройством сопряжения (14). Рисунок 1.1 – Блок-схема полезной модели Принцип работы данного устройства заключается в следующем: сигнал с метеодатчика (1), через блок интерфейсов (8) поступает на сменный Изм Лист №докум Подп Дата Лист 21 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ программируемый модуль (4), микроконтроллер (5) которого через определенные отрезки времени по интерфейсу сопряжения (14) интерфейсного блока (8) считывает данные с метеодатчиков (1), обрабатывает и сохраняет их во внешней памяти (6). Приемопередатчик (7) принимает сигналы из беспроводной сенсорной сети и передает их в цифровом виде на микроконтроллер (5), который анализирует полученные данные, считывает из внешней памяти (6) сохраненную информацию и отправляет ее на приемопередатчик (7) для передачи в сеть. В случае, если происходит превышение измеренного значения метеопараметра выше предельно допустимого, то микроконтроллер (5) включает блок световой сигнализации (2) и, не ожидая сигнала запроса из беспроводной сенсорной сети, передает данные на приемопередатчик (5) для передачи в беспроводную сенсорную сеть. Основными преимуществами данного устройства являются низкое энергопотребление и высокое быстродействие, за счет обработки микроконтроллером сигналов, поступающих в реальном масштабе времени с метеодатчиков. Благодаря универсализации и возможности автономной работы устройство позволяет работать с различными типами метеодатчиков без изменения своей структуры и в составе сенсорной сети может осуществлять дистанционный мониторинг в труднодоступных местах. Для автоматизированного контроля параметров окружающей среды разработано энергонезависимое устройство [25]. Данная полезная модель к области контроля параметров окружающей среды, преимущественно, в производственных помещениях. К таким параметрам относятся: метеорологические (температура, влажность воздуха, давление), экологические (химический состав воздуха, в том числе, наличие и концентрация токсичных газов) и производственные (уровень шума, освещенность, вибрационная нагрузка и др.). На рисунке 1.2 представлена блок-схема данного устройства. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 22 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ Рисунок 1.2 – Блок-схема энергонезависимого устройства Энергонезависимая система автоматизированного контроля содержит метеорологические датчики (1) температуры (KTY81-210), влажности, воздуха (HIH-4000-001), давления (24PCDFA6A), экологические датчики (2), определяющих химический состав воздуха (CDW), датчики измерения показателей производственной среды (3): уровня шума - датчик типа ECM8000, уровня освещенности - датчик типа HSDL-9001, уровень вибрации измеряется датчиком типа MVSO 608.02. Интеграторы (4) на каждый из датчиков (1, 2, 3) и преобразователи сигнала (5) на каждый интегратор выполнены на микропроцессорах ATTINY13A . Блок измерения (6), а также задатчики (7) предельно допустимых значений, блоки сравнения (8), блоки сопряжения (9) выполнены на базе микропроцессоров ATXMEGA128A1. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 23 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ Блок питания (10) представляет собой источник стабилизированного напряжения LM2575T ADJ. Блок управления режимами (11) выполнен на микропроцессорах ATXMEGA128A1. Блок управления и связи (12) выполнен на базе микросхемы интерфейса ST1480ACDR. Монитор питания (13) представляет собой компаратор, в частности, типа LM339. Дополнительным источником питания (14) служит аккумуляторная батарея. Буфер питания (15) представляет собой электролитический конденсатор большой емкости (2000 мкф). Блок энергонезависимой памяти (16) выполнен на базе микросхемы AT24C08. Блок ввода-вывода (17) выполнен на микросхеме ST1480ACDR. Газоразрядники (18) типа 4DS090H последовательно соединены с супрессорами (19) типа P4SMA18A. Устройство также снабжено блоком сигнализации (22). Реализация отличительных признаков полезной модели обеспечивает важный технический результат: уменьшение до безопасного уровня влияния электромагнитных помех, в том, числе, оказывающих наиболее сильное воздействие на работу устройства. В результате значительно повышается надежность работы устройства: фактически исключаются сбои в работе, предотвращается выход из строя линий подключения датчиков. Существует также портативная метеостанция с программным обеспечением для формирования краткосрочного прогноза с возможностью удаленного использования («NEVA») [26]. Предложенная полезная модель относится к области приборов для индикации состояний погоды путем измерения нескольких переменных величин. Она может быть использована для съема метеорологических данных, краткосрочного прогноза погоды и отправки данных на веб-сервер для их дальнейшего отображения посредством веб-интерфейса. Работа данного устройства заключается в следующем: удаленное снятие, обработка и выдача климатических показателей для контроля погодной ситуации. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 24 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ Портативная метеостанция NEVA позволяет пользователю при помощи любого устройства, имеющего доступ к Интернету, получить информацию о погоде в помещении. Для работы данное устройство необходимо обеспечить подключение к сети Интернет, либо с использованием Wi-Fi, либо при помощи Ethernet. Для обеспечения надежности получаемой информации в устройстве предусмотрена функция аутентификации и авторизации пользователей. Данная модель оснащена рядом функций, позволяющих определить температуру, влажность воздуха, атмосферное давление, освещенность, часы реального времени, «ощущаемость» температуры, вероятность ночных заморозков, краткосрочный прогноз погоды и веб-интерфейс. Портативная метеостанция NEVA работает в автоматическом режиме сбора, обработки и передачи информации в центр обработки данных (рисунок 1.3). Рисунок 1.3 – Схема взаимодействия элементов устройства Для обеспечения взаимодействия между пользователем и метеостанцией предусмотрен веб-интерфейс. За счет реализации веб- интерфейса удалось достичь большого количества платформ, которые возможно подключить к разработанной полезной модели. Так, например, пользователь может получить метеоинформацию при помощи компьютера, Изм Лист №докум Подп Дата Лист 25 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ мобильного устройства или планшета, открыв веб-браузер и введя IP-адрес метеостанции. В качестве аппаратной основы устройства были выбраны микрокомпьютер Raspberry Pi 2 и микроконтроллер Arduino Nano. Микрокомпьютер применяется для обработки метеоданных, формирования краткосрочного прогноза, передачи данных на веб-сервер и формирования веб-интерфейса. Использование микроконтроллера позволяет обеспечить сбор информации с датчиков и их последующую передачу на микрокомпьютер. Для получения метеоинформации применяются датчики: DHT12 для определения температуры и влажности воздуха, ВМР180 для определения температуры и атмосферного давления, GY-30 BH1750FVI отвечает за определение освещенности, RTC DS1307 - часы реального времени. Для обмена данными применяется интерфейса взаимодействия i2c. Для мониторинга климатических показателей в работе [27] предложено использование измерительного блока параметров окружающей среды. Для передачи сигналов устройство обеспечено беспроволочной электрической связью и может быть использовано для сбора и обработки физических параметров окружающей среды. Измерительный блок состоит из следующих датчиков: давления, температуры, влажности, состава воздуха, освещенности, радиационного излечения, запыленности, а также блок включает в себя микрофон, микроконтроллер Arduino, модуль Zig-Bee, флеш-карту и вторичную батарею. Устройство, в состав которого входит измерительный блок, содержит базовую станцию, мобильный узел, включающий носитель и размещенные на носителе первый измерительный блок и второй измерительный блок. Измерительный блок параметров окружающей среды работает следующим образом. Перед началом работы от компьютера через базовое устройство беспроводною приема и передачи данных на первое и второе устройства Изм Лист №докум Подп Дата Лист 26 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ беспроводного приема и передачи данных направляется команда на начало работы первого и второго измерительных блоков. При этом компьютер задает режим работы и режим передачи данных о параметрах окружающей среды и уровне шума. Режим работы может быть постоянным, когда измеритель параметров окружающей среды и микрофон постоянно регистрируют параметры окружающей среды и уровень шума, и дискретным, когда измеритель параметров окружающей среды и микрофон регистрируют параметры окружающей среды и уровень шума один раз в заданный период времени. Первое и второе устройства беспроводного приема и передачи данных, получив команду на начало работы измерительных блоков и команду на включение в заданном режиме работы, передают указанные команды на первый и второй микроконтроллеры. Во время работы оператора, на котором надета куртка с первым и вторым измерительными блоками, измеритель параметров окружающем среды и микрофон соответственно регистрируют текущие значения параметров окружающей среды и уровня шума в заданном режиме работы. Текущие значения параметров от измерителя в виде аналоговых сигналов поступают на первый микроконтроллер, а текущие значения шума от микрофона в виде аналоговых сигналов поступают на второй микроконтроллер. Микроконтроллеры преобразуют поступающие аналоговые сигналы в цифровые, и дают команду соответственно первой и второй энергонезависимым памятям на запись цифровых сигналов. При этом первая энергонезависимая память вместе с цифровыми сигналами, содержащими данные о параметрах окружающей среды, записывает информацию о времени принятия аналоговых сигналов и о местоположении оператора, на котором надета куртка. Информация о времени принятия аналоговых сигналов может быть получена от часов реальною времени, входящих в состав измерителя 2 Изм Лист №докум Подп Дата Лист 27 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ параметров окружающей среды, либо (в том случае, если измеритель 2 параметров окружающей среды не содержит часов реального времени) получена от компьютера 14, передающего указанную информацию через базовое устройство 13 беспроводного приема и передачи данных на первое устройство 4 беспроводного приема и передачи данных, которое, в свою очередь, передает указанную информацию на первый микроконтроллер 3. Информация о местоположении оператора может быть получена от GPS-приемника, входящего в состав измерителя параметров окружающей среды. В том случае, если измеритель параметров не содержит GPS- приемника, местоположение оператора может быть определено первым микроконтроллером по времени прохождения сигнала с известной скоростью от базового устройства до первого устройства беспроводного приема и передачи данных. Имея информацию о скорости и времени прохождения сигнала, первый микроконтроллер, вычисляет расстояние. На основании вычисленных расстояний, первый микроконтроллер определят местоположение оператора. Таким образом, за счет того что микроконтроллер Arduino, модуль Zig- Вее, флеш-карта и вторичная батарея размешены внутри футляра измерительного блока, а датчик выступает за пределы футляра, заявленный измерительный блок параметров окружающей среды может располагаться в заданных зонах, не мешая при этом оператору выполнять, работу. 1.3 Обобщение результатов анализа и постановка задач исследования Существует актуальная проблема обеспечения индивидуальной температуры и влажности в различных помещениях, особенно в помещениях третьей группы, которые характеризуются повышенным коэффициентом обеспеченности тепловой энергией. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 28 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ Рассмотренные в пункте 1.2 существующие решения обладают рядом достоинств и недостатков (таблица 1.2). Главным недостатком нижеперечисленных устройств является отсутствие универсальной программно-аппаратной платформы для реализации приложений на основе технологии беспроводных сенсорных сетей. Данный недостаток существенно ощутим в тех случаях, когда необходимо реализовать непрерывный контроль климатических показателей. Также одними из наиболее важных недостатков являются сложность в использовании и обеспечение питания устройств. Поэтому для обеспечения бесперебойной работы целесообразнее применять внешнее питание. Таблица 1.2 – Достоинства и недостатки современных устройств климатического контроля в помещениях [21-27] № п/п Устройство Достоинства Недостатки 1 2 3 4 1 Система контроля температуры и влажности Использование беспроводной технологии передачи измерительной информации, высокая точность измерения показателей влажности и температуры, более высокая надежность датчика Использование измерительного радиоканала, использование фильтра ПАВ для обеспечения стабильности частоты передачи данных 2 Блок климат контроля помещений Гибкость в настройке устройства, низкая цена, нет необходимости в калибровке датчика ds18b20, простота использования, программное управление кондиционером и нагревательным устройством Высокое термическое сопротивление корпуса датчика температуры, невысокая точность измерения, локальное использование устройства Изм Лист №докум Подп Дата Лист 29 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ Продолжение таблицы 1.2 1 2 3 4 3 Разработка систем локального контроля и мониторинга температуры и влажности Малая погрешность при измерении, передача данных в режиме «online», возможность подключения звуковой сигнализации, терморегуляторов, увлажнителей Использование USB- порта для подключения системы к компьютеру, невозможно удаленно управлять устройством 4 Устройство для дистанционного мониторинга окружающей среды на основе технологии беспроводных сенсорных сетей Использование устройства как в автономном, так и в стационарном режиме; возможность работы в составе беспроводной сенсорной сети стандарта IEEE 802.15.4; низкое энергопотребление, высокое быстродействие, компактные габариты, сменный программируемый модуль Питание устройства осуществляется от 2-х батарей типа АА, малый радиус передачи данных, низкая скорость передачи данных 5 Энергонезависимое устройство автоматизированного контроля параметров окружающей среды Контролирование широкого спектра параметров - метеорологические, экологические, а также производственные; надежность в работе: фактически исключаются сбои в работе, предотвращается выход из строя линий подключения датчиков Контроль параметров окружающей среды осуществляется, преимущественно, в производственных помещениях Изм Лист №докум Подп Дата Лист 30 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ Продолжение таблицы 1.2 1 2 3 4 6 Портативная метеостанция с программным обеспечением для формирования краткосрочного прогноза погоды с возможностью удаленного использования («NEVA») Удаленное получение метеоинформации, использование функций аутентификации и авторизации пользователей, применение внешнего питания, работа устройства осуществляется в автоматическом режиме, подключение большого количества платформ к данному устройству, для датчиков реализована функция самодиагностируемости Подключение к Wi-Fi роутеру при помощи дополнительного кабеля, высокая цена, устройство предусмотрено для формирования прогноза погоды на улице 7 Измерительный блок параметров окружающей среды Измерительный блок может располагаться в заданных зонах, широкий диапазон измерения показателей Для передачи сигналов используется беспроводная электрическая связь, большие габаритные размеры, для измерения параметров окружающей среды используется большое количество датчиков Анализ состояния вопроса показывает, что на сегодняшний день отсутствует эффективное решение задачи обеспечения комфортных температурных условий в медицинских помещениях. На решение данных проблем и устранения указанных недостатков направлена разработка «Мобильного устройства мониторинга температуры для системы климатического контроля медицинских помещений». Преимуществами данной разработки являются следующие критерии: Мобильное устройство работает в автоматическом режиме сбора, обработки и передачи информации в центр обработки данных. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 31 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ В системе управления существует возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации Для обеспечения работы устройства применяется внешнее питание Возможность передавать информацию на удаленные устройства при помощи сети Wi-Fi. |