Главная | Проекты | Система беспроводных датчиков для мониторинга концентрации газов

Система беспроводных датчиков для мониторинга концентрации газов

Автоматизированная система для долговременного автономного мониторинга уровня концентрации газов на основе высокочувствительных газовых сенсоров и системы сбора, обработки и передачи данных.

Задача

С учетом широкого внедрения газовых датчиков на объектах газовой инфраструктуры для мониторинга окружающей среды и наличия утечек требовалось разработать экономически эффективное, простое в установке и обслуживании решение, обеспечить долговременность его работы и полную автоматизацию процесса мониторинга.

Для создания системы высокочувствительных автономных сенсоров промышленных и биологических газов (метан, этан, углекислый и угарный газы) были объединены компетенции сотрудников Высшей школы физики и технологий материалов Института машиностроения, материалов и транспорта (ИММИТ) СПбПУ и лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ и ООО «Микросенсор Технолоджи».

Перед ВШФиТМ ИММИТ СПбПУ стояла задача по созданию датчиков с микролинзами на основе легкоплавкого халькогенидного стекла, которые наносятся на поверхность инфракрасных (ИК) свето- и фотодиодов. В рамках исследования были разработаны составы халькогенидных стекол с набором уникальных физико-химических свойств: широкая область спектральной прозрачности, низкое значение температуры перехода в вязкотекучее состояние, устойчивость к атмосфере, высокий уровень адгезии к поверхности полупроводникового чипа.

Лаборатория ПСПОД разработала систему сбора и обработки информации, получаемой с газовых датчиков, а также систему передачи данных по беспроводным сетям.

Решение

Разрабатываемая система датчиков объединяет в себе результаты научной деятельности нескольких отраслей знаний: физики полупроводников, приборостроения, оптического материаловедения и технологий потоковой обработки данных.

Система сбора и передачи данных

В Лаборатории ПСПОД разработана структура системы, осуществляющей беспроводной съем и обработку данных с группы данных датчиков. Система представляет собой набор датчиков, размещенных в наиболее критичных узлах оборудования или по всему объему помещения, и передающих данные измерений через шлюз низкопотребляющей локальной беспроводной сети.

Программное обеспечение шлюза позволяет выполнять следующие функции:

  • Сбор данных с газовых датчиков по беспроводной сети LRWPAN в режимах передачи необработанных данных и в режиме передачи только первичных характеристик (результатов агрегации данных непосредственно на датчике).
  • Управление беспроводной сетью датчиков, обеспечение подключения новых датчиков, отслеживание их работы, передача конфигурационных сообщений, удаленное обновление ПО на датчиках.
  • Передача данных в информационную систему.

Прототип программного решения находится на финальных стадиях доработки. Последние результаты тестирования подтвердили корректную работу каналов передачи данных.

Газовый датчик MDS-4-2

Газовый датчик MDS-4-2

Оптический блок

Оптический блок датчиков реализован сотрудниками Высшей школы Физики и технологий материалов ИММИТ СПбПУ на основе инфракрасных (ИК) свето- и фотодиодов, на поверхность которых с помощью разработанной технологии наносятся микролинзы из легкоплавкого халькогенидного стекла. Поскольку детектируемая концентрация газов зависит от эффективности сбора излучения на фотодиод, то создание фокусирующей системы из микролинз позволяет значительно улучшить характеристики устройства.

Получение халькогенидного стекла с необходимыми физико-химическими характеристиками (показатель преломления, спектральная область пропускания, температура стеклования и плавления, уровень адгезии, химическая стойкость к атмосфере) представляло собой особую материаловедческую задачу, благодаря решению которой удалось повысить минимально обнаруживаемую датчиками концентрацию газов в 3-5 раз.

Пример ИК светодиода с нанесенной халькогенидной микролинзой

Пример ИК светодиода с нанесенной халькогенидной микролинзой

Преимущества

С учетом широкого внедрения газовых датчиков на объектах газовой инфраструктуры для мониторинга окружающей среды и наличия утечек данная разработка имеет высокий коммерческий потенциал благодаря низкому энергопотреблению (большой период между обязательным техническим обслуживанием датчиков) и низким порогом обнаружения (<500 parts per million).

Детали

Система сбора и передачи данных

Для реализации системы датчиков с низким потреблением при стабильной периодической передаче данных были выбраны специализированные стандарты беспроводной связи LRWPAN. Эти стандарты обеспечивают большую дальность передачи и высокую энергоэффективность (отношение переданного объема полезных данных к затраченной энергии).

Ключевой характеристикой беспроводной сети является используемая частота. Для реализации системы выбрана частота 868 МГц, так как она обеспечивает более высокую пропускную способность, чем 433 МГц (это требуется для передачи необработанных данных). Также для этой частоты возможно использовать меньшие по размеру антенны, что важно для ограниченных габаритов датчиков.

Посредством LRWPAN-сети датчики объединены в беспроводную сеть передачи данных. Сбор данных с газовых датчиков, передача данных измерений в информационную систему и управление беспроводной сетью датчиков осуществляется через шлюз LRWPAN.

В момент подключения нового датчика шлюз публикует актуальный список подключённых к ней датчиков. Также она периодически публикует пакеты, отражающие её текущее состояние. В нём шлюз сообщает временную метку, свой идентификатор, время работы операционной системы, время работы процесса, количество датчиков, счётчик ошибок передачи данных, количество используемой RAM и список активных датчиков.

Таким образом, с одним сервером может одновременно связываться несколько шлюзов, к каждому из которых подключено несколько датчиков. При этом подписчику понятно, с какого именно датчика было получено каждое значение.

У пользователя есть возможность удалённо заменить прошивку на датчиках. Через графический интерфейс пользователь посылает команду обновления прошивки на сервер, в этой команде содержится имя файла необходимой прошивки. Получив команду, шлюз проверяет версию прошивки на каждом из датчиков и обновляет ее в случае необходимости по беспроводному LRWPAN-каналу.

Для просмотра и анализа данных используется программа, написанная на языке Python, она кроссплатформенна и имеет графический пользовательский интерфейс. Она позволяет удалённо просматривать состояние всех датчиков и выводить снятые данные в виде графика, причём можно делать это одновременно и независимо с нескольких персональных компьютеров.

Для очистки сигнала датчика используются методы машинного обучения.

Оптический блок

В создаваемых датчиках применяются микролинзы на основе легкоплавкого халькогенидного стекла, которые наносятся на поверхность инфракрасных (ИК) свето- и фотодиодов. В рамках исследования были разработаны составы халькогенидных стекол с набором уникальных физико-химических свойств:

  • широкая область спектральной прозрачности,
  • низкое значение температуры перехода в вязкотекучее состояние,
  • устойчивость к атмосфере,
  • высокий уровень адгезии к поверхности полупроводникового чипа.

Физический механизм работы данных датчиков основан на принципах абсорбционной спектроскопии, в качестве поглощающих агентов могут выступать различные газы, в том числе атмосферные. Спектральная область излучения/поглощения полупроводниковой оптопары определяет типы детектируемых газов, таких как метан и этан (3,20–3,45 мкм), углекислый и угарный газы (4,20–4,80 мкм), диоксид азота (3,40–3,45 мкм), аммиак (2,85–3,15 мкм) и т.д. С помощью данной технологии удается повысить внешний квантовый выход ИК оптопары в 5–10 раз.

Коллективом ВШФиТМ ИММИТ СПбПУ разрабатывается уникальная технология капсулирования микролинз строго определенной формы с использованием инструментов технического зрения и нейросети. ООО «Микросенсор» адаптирует технологию к серийному выпуску изделий под технические требования заказчика.

Технологии

Языки программирования и фреймворки:
CPython
Библиотека:
SimpleLink SDK
OS:
Linux, TI-RTOS
Протоколы обмена данными:
MqttIT 15.4 Stack
Микроконтроллер:
SimpleLink

РИД

Работа поддержана Проектом повышения конкурентоспособности 5-100 в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого «Разработка биофункциональных стеклообразных и композитных материалов для сенсоров носимой электроники»

Ключевые исполнители

  • Руководитель проекта: Семенча А.В., директор Высшей школы физики и технологий материалов Института машиностроения, материалов и транспорта СПбПУ
  • Менеджер проекта: Овсянникова А.К
  • Ведущий инженер: Дойников А.Е
  • Программист: Макаревич Н.С
  • Техник: Камянский Д.В

Индустриальный партнёр

ООО «Микросенсор Технолоджи»