Разработка беспроводной сенсорной системы мониторинга токсичных и горючих газов в воздушной среде на промышленных предприятиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Ку Тхань Фонг

• Ку Тхань Фонг
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Ку Тхань Фонг

Оглавление

Введение

1. Современное состояние дел в области разработки и исследования газовых датчиков с низким энергопотреблением для беспроводных сенсорных сетей

1.1 Анализ факторов воздействия промышленных предприятий на окружающую среду

1.2 Классификация газовых сенсоров с точки зрения энергопотребления

1.3 Анализ беспроводных сенсорных сетей

1.4 Основные тенденции в разработке беспроводной сенсорной сети

1.5 Современные платформы беспроводной сенсорной сети

1.6 Развертывание беспроводных сенсорных сетей в реальных условиях

1.7 Выводы обоснования необходимости создания беспроводных энергонезависимых сенсорных сетей

2. Разработка конструктивно-технологических принципов создания беспроводных газовых сетей

2.1 Выбор технологии беспроводной передачи данных

2.2 Блок-схема беспроводного газового датчика

2.3 Разработка электрических цифровых и аналоговых схем и компоновки беспроводного газового датчика угарного газа

2.4 Разработка конструктивно-технологического принципа создания беспроводных сенсорных узлов, обеспечивающих интеграцию газовых сенсоров различного типа

2.5 Разработка координатора беспроводной сенсорной сети

2.6 Математическое моделирование параметров электрической схемы беспроводного газового датчика (БГД) (энергопотребления в различных

режимах работы)

2.7 Выводы

3. Исследования параметров беспроводного сенсорного узла

3.1 Анализ времени автономного питания беспроводного сенсорного узла77

3.2 Исследования дальности передачи данных

3.3 Разработка энерго-эффективного алгоритма проведения измерений

3.4 Исследования энергопотребления по различным режимам работы

3.5 Измерения отклики БСУ при разных концентрациях газов

3.6 Исследования стабильности измерений во времени и температуры окружающей среды

3.7 Выводы

4. Разработка и исследования беспроводной сенсорной сети для газового мониторинга

4.1 Структурная схема беспроводной сенсорной сети

4.2 Алгоритм работы беспроводной сенсорной сети

4.4 Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка беспроводной сенсорной системы мониторинга токсичных и горючих газов в воздушной среде на промышленных предприятиях»

Введение

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, разработка современных методов и приборов для контроля природной среды, в частности, концентрации в воздухе горючих и токсичных газов и предупреждении о превышении предельно допустимых концентраций (ПДК) токсичных газов и нижнего концентрационного порога распространения (НКПР) горючих газов на промышленных предприятиях, является чрезвычайно актуальной темой исследований.

Мировой тенденцией, направленной на решение проблем мониторинга воздушной среды на больших площадях, связанных с утечками горючих и токсичных газов, стала разработка так называемых сенсорных сетей различного масштаба, которые собирают, анализируют и принимают решения по управлению исполнительными устройствами для предотвращения чрезвычайных ситуаций и оповещению соответствующих служб при превышении ПДК токсичных газов и НКПР горючих газов.

В зависимости от способа передачи данных от сенсоров к устройствам приема данных выделяют проводные и беспроводные сенсорные сети. В первом случае питание всех элементов сенсорной сети и передача данных по сети осуществляется по проводам. Во втором случае передача данных осуществляется по радиоканалу, а питание сенсоров осуществляется либо от электрической сети, либо от химических источников тока. В последнем случае говорят об автономной беспроводной сенсорной сети. Беспроводные сенсорные сети состоят из беспроводных датчиков, каждый из которых содержит процессор, память, аналого-цифровые и цифроаналоговые

преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и измерительные сенсоры.

Использование беспроводных сенсорных сетей для мониторинга и предотвращения чрезвычайных ситуаций наиболее перспективно (с точки зрения экономической эффективности, технологичности их развертывания, областей эксплуатации) с одновременным отказом от использования сетевого электрического питания.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время для мониторинга концентрации токсичных и горючих газов и предотвращения чрезвычайных ситуаций, связанных с превышением ПДК и НКПР, используются проводные системы газового мониторинга, способные контролировать производственную территорию крупного предприятия путем советующего расположения датчиков. Недостатком данных систем является их зависимость от систем электроснабжения и кабельного телеизмерения, что сильно усложнят процесс их развертывания. Кроме того, это ограничивает применения проводных систем мониторинга состава воздуха, в частности, в местах с отсутствующим сетевым электрическим питанием. Преодоление существующих ограничений возможно за счет создания автономных беспроводных систем непрерывного мониторинга утечек токсичных и горючих газов, обеспечивающих измерения состава воздуха на территории промышленных предприятий, рабочих зон и промышленных территориях. Подобные беспроводные сенсорные системы для контроля параметров окружающей, сочетающие в себе функции измерения газового состава воздуха, беспроводной передачи данных и автономного питания отсутствую в России и в мире.

Целью работы является разработка и исследование параметров автономных беспроводных газовых датчиков и беспроводной сенсорной системы на основе стандарта IEEE 802.15.4. ZigBee для мониторинга токсичных и горючих газов в воздухе.

Основные решенные задачи:

- разработка конструктивно-технологических принципов создания энергонезависимой цифровой платформы беспроводного газового датчика для беспроводной сенсорной сети для мониторинга утечек горючих и токсичных газов в воздухе, обеспечивающей интеграцию каталитических, электрохимических и полупроводниковых газовых сенсоров с аналоговым и цифровым выходом и беспроводную передачу данных по сетям стандарта 71§Ьее;

- разработка энергоэффективных алгоритмов проведения измерений утечек горючих газов (в частности, метана) и токсичных газов (таких как, угарный газ СО, сероводород И2Б и двуокись азота К02) с последующей передачей данных измерений по сетям стандарта 71§Ьее;

- разработка системы визуализации данных, получаемых от беспроводных датчиков газа, с доступом через стандарт передачи данных 71§Ьее и беспроводный Интернет;

- создание и исследование параметров экспериментального образца беспроводной сенсорной сети для мониторинга утечек токсичных и горючих газов и контроля природной среды на территориях промышленных предприятий.

Научная новизна работы:

1. Разработаны конструктивно-технологические принципы создания беспроводного газового датчика, обеспечивающего интеграцию сенсоров с аналоговым и цифровым выходом, беспроводную передачу данных мониторинга по беспроводным сенсорным сетям и автономное питание.

2. Предложен энергоэффективный алгоритм работы и проведения измерения беспроводным газовым датчиком, уменьшающий энергопотребление датчика и обеспечивающий долговременную автономную работу датчиков на территориях промышленных предприятий с отсутствием сетевого питания и незамедлительную реакцию системы беспроводного мониторинга при детектировании утечек токсичных и горючих газов.

3. Исследование параметров радиоканала в процессе передачи данных от беспроводного газового датчика к системе визуализации данных показало возможность обеспечения мониторинга чрезвычайных ситуаций на больших пощадах.

4. Показана возможность создания на основе автономных беспроводных газовых датчиков самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сенсорных сетей ("умная пыль") для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость заключается в том, что полученные выводы дополняют методологию измерений состава воздуха на больших территориях, где отсутствует сетевое питание, с использованием распределенных сенсорных сетей. На основе расчета параметров энергопотребления энергонезависимой цифровой платформы определены режимы работы, обеспечивающее среднее энергопотребление на уровне 1 мВт. Разработаны энергоэффективные алгоритмы проведения измерений газового состава воздуха, автоматического информирования и управления исполнительными устройствами и передачи данных по сетям стандарта 71§Ьее.

Разработанная беспроводная сенсорная сеть расширяет арсенал технических средств технологического мониторинга газовой среды, позволяет измерять концентрацию токсичных и горючих газов в воздухе и обеспечивать безопасность техногенных объектов и предотвращать возникновения аварийных ситуаций при превышении ПДК токсичных газов или НКПР горючих газов за счет выдачи команд управления исполнительным устройствам.

Результаты мониторинга утечек горючих и токсичных газов позволяют создать базу данных для оценки качества воздушной среды в течение длительного времени в регионе развертывания беспроводной сенсорной сети. Это, в свою очередь, позволит принимать обоснованные инженерные и

управленческие решения по защите людей и материальных ценностей на стадии предшествующей чрезвычайной ситуаций, предотвращать ЧС, а также прогнозировать масштабы и последствия чрезвычайных ситуаций.

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме «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». Индустриальным партнером в данном проекте была компания в ООО «Научно - технический центр измерительных газочувствительных датчиков» им. Е.Ф. Карпова.

Методология и методы исследований. Методологическую основу исследования составили данные по известным способам и методикам мониторинга токсичных и горючих газов в воздухе, по разработке селективных электрохимических, каталитических и полупроводниковых газовых сенсоров, а также передаче данных по радиоканалу.

Информационные источники научного исследования:

- научные источники в виде данных из журнальных статей, материалов научно-технических конференций;

- официальные документы: ГОСТ;

- результатов проведенных экспериментов.

Для решения диссертаций задач использовались: экспериментальные исследования в лабораторных условиях с применением разных концентраций угарного газа, сероводорода, оксида азота и метана; программирование управления режимов работ беспроводной сенсорной сети на ЭВМ.

На защиту выносятся:

1. Расширение диапазона измеряемых компонентов и технических возможностей для контроля качества воздушной среды обеспечивается развертыванием беспроводной сенсорной сети для мониторинга газового

состава воздуха, включающей беспроводные газовые датчики, исполнительные устройства, маршрутизаторы и координатор сенсорной сети стандарта Zigbee.

2. Конструктивно-технологические решения по созданию энергонезависимой цифровой платформы беспроводного газового датчика, обеспечивающей измерение концентрации горючих и токсичных газов в воздухе, передачу данных измерений по беспроводным сенсорным сетям и долговременное автономное питание.

3. Энергоэффективные алгоритмы проведения измерений токсичных и горючих газов, обеспечивающие долговременную автономную работу беспроводных газовых датчиков.

4. Результаты исследования параметров и характеристик беспроводного газового датчика и беспроводной сенсорной сети для мониторинга концентрации токсичных и горючих газов в воздухе.

Достоверность и апробация результатов. Достоверность обуславливается использованием апробированных систем

автоматизированного проектирования радиоэлектронных систем, государственных методик измерения газового состава и беспроводных стандартов передачи данных.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной Молодёжной Конференции «XL Гагаринские Чтения»; Международной Молодёжной Конференции «XLII Гагаринские Чтения»; 1st International Telecommunication Conference "Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems and Technologies".

Личный вклад автора.

Соискателем:

- разработаны конструктивно-технологические принципы создания беспроводной сенсорной сети для мониторинга газового состава природной среды;

- разработаны конструктивно-технологические принципы создания энергонезависимой цифровой платформы беспроводного газового датчика, обеспечивающей интеграцию газовых сенсоров с аналоговым и цифровым выходом;

- разработаны энергоэффективный алгоритм проведения измерений утечек горючих газов и алгоритмы передачи полученных данных по беспроводным сенсорным сетям стандарта Zigbee;

- предложен вариант создания беспроводной сенсорной сети для мониторинга утечек токсичных и горючих газов;

- исследованы параметры беспроводной сенсорной сети для мониторинга утечек токсичных и горючих газов на базе ООО «Научно -технический центр измерительных газочувствительных датчиков» им. Е.Ф. Карпова.

Внедрение результатов исследования. Результаты кандидатской диссертации использованы в учебном процессе «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» в курсе лекций «Цифровые устройства РЭС».

Разработан и изготовлен экспериментальный образец системы беспроводного мониторинга утечек токсичных и горючих газов и предотвращения чрезвычайных ситуаций. Результаты работы внедрены в ООО «Научно - технический центр измерительных газочувствительных датчиков» им. Е.Ф. Карпова.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации и 4 доклады в сборниках тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 115 страницах машинописного текста, списка литературы из 95 наименований и содержит 57 рисунка и 10 таблиц.

1. Современное состояние дел в области разработки и исследования газовых датчиков с низким энергопотреблением для беспроводных

сенсорных сетей

Беспроводная сенсорная сеть — распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому [5, 6].

1.1 Анализ факторов воздействия промышленных предприятий на

окружающую среду

В январе 2016 года Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) выступила с предупреждением: риски для здоровья, связанные с загрязнением воздуха во многих крупных городах, достигли критической отметки. По словам экспертов ВОЗ, ситуация такова, что вскоре население Земли всерьез столкнется с проблемой ранней смертности, а власти разных стран будут изыскивать огромные суммы на лечение хронических заболеваний своих граждан, таких как нарушение работы сердца и даже старческое слабоумие.

Повышенные концентрации в атмосферном воздухе таких загрязнителей, как диоксид азота, оксиды азота и углерода и формальдегид, оказывают негативное влияние на экосистемы и здоровье людей. Угарный газ CO обладает ярко выраженным отравляющим действием. Он вступает в реакцию с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин. Данное химическое соединение, в отличие от гемоглобина, не способно переносить кислород от органов дыхания к тканям. В результате нарушается газообмен, наступает кислородное голодание, что вызывает патологические изменения в функционировании всех систем организма. Диоксид азота и формальдегид

обладают раздражающим действием на слизистые оболочки и органы дыхания [1].

Уровни содержания в атмосферном воздухе различных вредных веществ регламентируются предельно допустимыми концентрациями - ПДК. В таблице 1.1 приведены ПДК некоторых вредных компонентов, содержащихся на промышленных предприятиях [2,3].

Выбросы промышленных предприятий являются главным источником загрязнения атмосферного воздуха. Согласно данным государственного доклада Минприроды о состоянии окружающей среды РФ в 2014 году (последний доступный доклад), на их долю приходится 56% всех загрязнений, или 17 451,9 тыс. тонн вредных выбросов. Вместе с выбросами автотранспорта на каждого жителя нашей страны в 2014 году пришелся 221 кг загрязняющих веществ.

Таблица 1.1: Значения ПДК некоторых вредных компонентов.

Компоненты ПДК, мг/м3

Максимальная разовая Среднесуточная

Окись углерода СО 20 5

Двуокись азота N02 2 1

Сернистый ангидрид S02 0,5 0,05

Формальдегид НСНО 0,035 0,03

Сероводород Н^ 10 4

По данным Росгидромета, в 2014 году в 51 городе (24% населенных пунктов, где проводились наблюдения) уровень загрязнения воздуха характеризуется как высокий и очень высокий. В этих городах проживает 19% городского населения России. Годом ранее высокий и очень высокий уровни загрязнения отмечались в 123 городах (57%), что составляло 52% городского населения России.

По оценкам Роспотребнадзора, в 2014 году в условиях «превышения гигиенических нормативов загрязняющих веществ атмосферного воздуха при кратковременных подъемах их концентраций» проживало порядка 128,4 млн человек, т. е. 89% населения страны. Высокие уровни загрязнения воздуха (более 5,0 ПДК) наблюдались на территориях 29 субъектов Федерации [4].

Таким образом, для мониторинга степени воздействия промышленных предприятий на окружающую среду и контроля природной среды, вызванных превышением ПДК токсичных и горючих газов, необходимо проводить мониторинг их концентрации.

1.2 Классификация газовых сенсоров с точки зрения энергопотребления

Газовые сенсоры входят в состав датчиков или систем измерения и контроля, в которых, помимо них, имеются системы преобразования сигнала и индикации. Основной функцией газового сенсора является преобразование концентрации анализируемого вещества в электрический или какой-либо другой сигнал, позволяющий регистрацию и визуализацию этого сигнала [7].

В общем случае сенсор состоит из слоя с селективной чувствительностью к определяемому компоненту, который вырабатывает сигнал, пропорциональный содержанию анализируемого компонента, и преобразователя сигнала. В зависимости от того, какой параметр сенсора изменяется и принципа работы преобразователя отклика, можно создать классификацию газовых сенсоров (рисунок 1.1) [8, 9].

Рисунок 1.1 - Классификация газовых сенсоров.

При разработке сенсоров любого типа общими требованиями являются низкое энергопотребление, высокая чувствительность, селективность, короткие времена отклика, длительное время стабильной работы и жизни, обратимость, малый размер и низкая стоимость.

В настоящее время для детектирования газовых примесей электрохимические, полупроводниковые/каталитические и оптические сенсоры удовлетворяют выше перечисленным критериям, и они получают широкое применение на практике.

Электрохимические сенсоры

Электрохимические датчики позволяют определять концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости раствора, поглотившего этот газ. Чувствительным элементом датчика является электрохимический сенсор, состоящий из трех электродов, помещенных в сосуд с электролитом. Чувствительность к различным компонентам определяется материалом электродов и применяемым электролитом.

В качестве сенсора СО в работе был рассмотрен сенсор N^-505 (№шо1:о), работающий в амперометрическом режиме [10]. Принцип действия сенсора основан на том, что если к электродам приложить определенный потенциал, соответствующий окислению или восстановлению определяемого вещества, то сила тока в ячейке будет пропорциональна его концентрации. Для проведения точных амперометрических исследований и измерений в электрохимические сенсоры включают три электрода: рабочий, вспомогательный и сравнения (рисунок 1. 2). Электрод сравнения необходим для точного поддержания неизменного напряжения между рабочими электродами. Газ проникает внутрь сенсора через газопроницаемую мембрану и угольный фильтр, который удаляет неконтролируемые газы. Реакция взаимодействия происходит на трехфазной границе раздела электролит - газ - катализатор (ИЭ - индикаторный электрод). В воздушной среде, содержащей пары воды и примесь СО, в ИЭ возможны следующие электрохимические реакции:

СО + Н20 ^ С02 + 2Н+ +2е Ш2 + 2Н+ + 2е ^Н2О

Рабочий электрод

СО + Н2О ^С02 +2Н+ + 2е- Т

Электрод сравнения

Вспомогательный Ток

Яь

Выход

Потенциостат

Рисунок 1.2 - Схема электрохимического сенсора СО и протекающих

реакций на электродах.

Технические характеристики сенсора N^-505;^ Диапазон измерения 0-1000 ррт

Разброс показаний менее чем ±5% / Год

Выходной сигнал 40±10пА / ррт СО

Диапазон рабочих температур: -20°С до +50°С

Диапазон рабочей относительной влажности: 15-90% без конденсации.

Время отклика Т90: в течение 30 сек.

Полупроводниковые/Каталитические сенсоры

Исследования влияния адсорбции газов на электрофизические характеристики полупроводников, начатые в 40-х годах прошлого столетия в связи с развитием полупроводниковой техники, поставили и обратную задачу - детектировать газовые примеси по изменению электрофизических характеристик полупроводника. Однако, в отличие от быстрого внедрения полупроводниковых приборов во все области науки и техники, путь полупроводниковых сенсоров от лабораторных разработок до датчика серийных газоанализаторов оказался несопоставимо длинным. Основными

производителями металлооксидных полупроводниковых сенсоров являются английская фирма «City Technology» и японская фирма «Figaro.Inc» [11, 12].

Важнейшая проблема полупроводниковых сенсоров: низкая селективность. Однако их достоинства - высокая чувствительность, быстродействие, миниатюрность, небольшая стоимость при массовом производстве. Поэтому эти сенсоры очень привлекательны для использования в качестве датчиков газоаналитических приборов.

Перспективными областями применения приборов на базе полупроводниковых сенсоров являются определение в атмосфере, в том числе продолжительный мониторинг, химически активных малых газовых примесей на станциях наблюдения фонового состава атмосферы (в отсутствие антропогенных выбросов) и контроль качества воздуха в районах размещения промышленных предприятий и в жилых зонах. В последние годы все более широкое распространение получают мобильные станции контроля качества атмосферного воздуха, для оснащения которых необходимы недорогие портативные газоанализаторы [13].

Двойная металлическая сетка

Рисунок 1.3 - Конструкция полупроводникового датчика.

Сенсором СО TGS203 Figaro является полупроводниковой датчик на основе оксида олова. Принцип действия датчика основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки вследствие адсорбции газа на ее поверхности. На трубчатую подложку из оксида алюминия

(рисунок 1.3) нанесен тонкий слой оксида олова (БпО2), легированного элементами, обладающими каталитическими свойствами (Р1:, Си, N1, Рё), чтобы обеспечить более высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси.

При нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400оС) при помощи нагревательного элемента, выполненного в конструктиве с датчиком, происходит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода на поверхность сенсора, имеющую мелкозернистую структуру. Протекание адсорбции зависит от концентрации газа примеси. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая проводимость сенсора. Отклик датчика выражается через изменение его сопротивления в зависимости от концентрации газа, изменяющего адсорбцию кислорода на материале сенсора. Быстрота отклика зависит от модели датчика и конкретного газа примеси.

Соотношение между сопротивлением сенсора и концентрацией газа примеси задается выражением: Я= А [С]-а

где Я - электрическое сопротивление сенсора, А, а - константы, [С] - концентрация газа примеси.

В соответствии с этой формулой, зависимость сопротивления датчика от концентрации газа примеси линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона концентраций (от нескольких миллионных долей (ррт) до нескольких тысяч). Датчик проявляет чувствительность к различным типам газов примеси одновременно, но оптимальная селективность к определенному типу обеспечивается, во-первых, путем ввода специальных легирующих добавок в оксид олова на этапе изготовления и, во-вторых, выбором рабочей температуры сенсора, что достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения [14].

Основные электрические параметры датчики приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2: Основные электрические параметры датчики СО

TGS203Figaro.

Характеристика TGS203Figaro (СО)

Напряжение, подаваемое на нагревательный элемент (НЭ) 5 В ± 0. 2 В (АС/ОС)

Ток через нагревательный элемент^) - с временем срабатывания 60c 369 мA ± 3%, - с временем срабатывания 90с 133 мA ± 3%,

Потребляемая мощность датчика < 15 мВт

Содержание газовой примеси в окружающей среде (ppm) 50-1000

Оптические сенсоры

Оптическими датчиками представляются собой небольшие по размерам электронные устройства, способные под

воздействием электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах подавать единичный или совокупность сигналов на вход регистрирующей или управляющей системы. Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли.

Оптические датчики являются разновидностью бесконтактных датчиков, так как механический контакт между чувствительной областью датчика (сенсором) и воздействующим объектом отсутствует. Данное свойство оптических датчиков обуславливает их широкое применение в автоматизированных системах управления. Дальность действия оптических датчиков намного больше, чем у других типов бесконтактных датчиков [15].

Принцип действия оптических газовых датчиков основан на поглощения разными газами определенных длин волн излучения, обычно в инфракрасном

диапазоне, в связи с этим такие датчики часто называют инфракрасными. Предназначены для измерения концентраций многоатомных газов -поглощают лишь определенные длины волн и коэффициент поглощения пропорционален концентрации газов. Оптический датчик газа в современном виде это миниатюрный универсальный интеллектуальный прибор, который использует инфракрасный метод для определения концентрации определенного газа в воздухе, и имеет хорошую избирательность, стабильность, большой срок эксплуатации, а также не зависит от содержания кислорода (в отличии от термокаталитических сенсоров). Наличие встроенного датчика температуры может использоваться для компенсации температурной зависимости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ку Тхань Фонг, 2017 год

Список литературы

1. Гетия С.И., Кочетов О.С. Эффективность взрывозащитных устройств в технологических процессах // М. МГУПИ, «Вестник МГУПИ», серия «Машиностроение», № 24, 2009, с.92-104.

2. Мандра Ю.А. Биоиндикационная оценка состояния окружающей среды города Кисловодска на основе анализа флуктуирующей // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. т. 12, №1(8). с. 1990-1994.

3. Сидельникова А.В., Сысуев Е.Б., Князев В.С. Бытовые отравления угарным газом на основе данных по волгоградской области // Успехи современного естествознания, №9, 2013, с.101-102.

4. А.Л. Сафонов. Оксид углерода // Российская энциклопедия по охране труда. Отв. ред. - 2-е изд. М.: НЦ ЭНАС, 2007.

5. Баскаков С.С. Распределенные системы мониторинга на базе беспроводных сенсорных сетей // Конференция «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения», г. Москва, 2012.

6. П.С. Кузьменко, Е.А. Косырева. Беспроводные сенсорные сети // Новые задачи технических наук и пути их решения/ Международной научно-практической конференции, т. 1, 2015 г, с. 133-136.

7. «Датчик загазованности — Википедия» [Электронный документ] // Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Датчик_загазованности (дата обращения 10.05.2015).

8. Будников Г.К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образовательный журнал, 1998, №3, с.72-76.

9. Lundstrom I // Sensors and Actuators B, 1996, v.35, p. 11-19.

10. Т. Ф. Ку, Д. Н. Спирякин. Автономное беспроводное устройство для мониторинга концентрации СО // Датчики и Системы, № 6, 2015, с.42-46.

11. Л. А. Обвинцева. Полупроводниковые металлооксидные сенсоры для определения химически активных газовых примесей в воздушной среде // Рос.хим.ж. (Ж.Рос.хим. обваим. Д.И. Менделеева), 2008, т .ЬП, № 2, с. 113-121.

12. Шапошник А. В., Звягин А. А., Васильев А.А., Рябцев С.В., Назаренко И.Н., Буслов В.А.. Определение оптимальных температурных режимов работы полупроводниковых сенсоров // Сорбционные и хроматографические процессы, 2008. Т. 8. Вып.3, с. 501-506.

13. Ж. Аш с соавторами. Датчики измерительных систем // М. "Мир". 1992. Т.2. с. 380-395.

14. В. В. Малышев, А.В. Писляков. Быстродействие полупроводниковых металлоксидных толстопленочных сенсоров и их чувствительность к различным газам в воздушной газовой среде // Сенсор, № 1, 2001, с. 02-15.

15. В. Н. Кабаций. Оптические сенсоры газов на основе полупроводниковых источников ик-излучения // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2008, № 4, с. 30-35.

16. Кельнер Р., Мерме Ж.М., Отто М., Видмер М.. Аналитическая химия // Проблемы и подходы- М.: Мир, 2004, с. 493-516.

17. Сергей Баскаков, Владимир Органов. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы МевЬЬо§1еТМ // Электронные компоненты, № 8, 2006, с. 6569.

18. Л. С. Восков. Беспроводные сенсорные сети и прикладные проекты // Автоматизация и ГТ в энергетике, №2-3, 2009, с. 44-48.

19. А. Г. Финогеев, В. Б. Дильман, В. А. Маслов. Оперативный дистанционный мониторинг в системе городского теплоснабжения на основе беспроводных сенсорных сетей // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки, № 3, 2010, с. 27-36.

20. Горлов М. И. Микроэлектронный датчик влажности поверхностно-конденсационного типа // Патент РФ 2224246. Опубл. 20.02.2004. Бюл. №5.

21. Е. В. Барбасова, Т. А. Vstavskaya. Построение систем управления сложными комплексами наружного освещения // Весник ЮУрГУ, № 23, 2011, с. 98-101.

22. TelosB сенсорная платформа «умной пыли» [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.willow.co.uk/TelosB_Datasheet.pdf (дата обращения 10.5.2016).

23. MICA2 сенсорная платформа «умной пыли» [Электронный документ] // Режим доступа: http://www. eol.ucar. edu/isf/facilities/isa/internal/CrossBow/DataSheets/mica2.pdf (дата обращения 10.5.2016).

24. Fly Port сенсорная платформа «умной пыли» [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.openpicus.com (дата обращения 10.5.2016).

25. Wasp Mote сенсорная платформа «умной пыли» [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.libelium.com/products/waspmote (дата обращения 10.5.2016).

26. Yuen Hui Chee, M. Koplow, M. Mark, N. Pletcher, M. Seeman, F.

-5

Burghardt, D. Steingart, J. Rabaey, P. Wright, S. Sanders. Pico Cube: A 1cm sensor node powered by harvested energy // Proc. DAC, 2008, рр. 114-119.

27. J. Lu, H. Okada, T. Itoh, T. Harada, R. Maeda, R.. Towards the world smallest wireless sensor nodes with ultra-low power consumption // IEEE Sensors J., vol.14, № 6, June 2014, рр. 2035-2041.

28. M. Magno, D. Boyle, D. Brunelli, B. O'Flynn, E. Popovici, L. Benini. Extended wireless monitoring through intelligent hybrid energy supply // IEEE Trans. onInd. Electron., vol. 61, № 4, April 2014, рр. 1871-1881.

29. L. Atzori, A. Iera and G. Morabito. The Internet of Things // A survey, Computer Networks, vol. 54, no. 15, 2010, pp. 2787-2805.

30. Lorenzo Vangelista , Andrea Zanella, Michele Zorzi. Long-Range IoT Technologies: The Dawn of LoRa ™ // Future Access Enablers for Ubiquitous and Intelligent Infrastructures, 2015, pp. 51-58.

31. MICAz сенсорная платформа «умной пыли» [Электронный документ] // Режим доступа: http://www. openautomation. net/uploadsproductos/micaz_datasheet. pdf

(дата обращения 10.5.2016).

32. Meshlium - беспроводной концентратор сенсорной сети [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.libelium.com/products/meshlium (дата обращения 10.5.2016).

33. IEEE 802.11, The Working Group for WLAN Standards сети [Электронный документ] // Режим доступа: http://grouper.ieee. org/groups/802/11/, April, 2006.

34. C. Peter, S. Schulz, M. Barth, M. Gempp, S. Rademacher, J. Wollenstein. Low-cost roll-to-roll colorimetric gas sensor system for fire detection // 2013 Transducers & Euro sensors XXVII: The 17th International Conference on SolidState Sensors, Actuators and Microsystems, 16-20 June 2013, рр. 2632-2635.

35. S. Beirne, K. T. Lau, B. Corcoran, D. Diamond. Automatic reaction to a chemical event detected by a low-cost wireless chemical sensing network // IEEE Sensors, 2009, рр. 69-72.

36. Y.W. Kim, S.J. Lee, G.H. Kim, G.J. Jeon. Wireless electronic nose network for real time gas monitoring system // in Proc. ROSE, 2009, рр. 169-172.

37. S. So, F. Koushanfar, A. Kosterev, F. Tittel. Laser SPECks: Laser SPEC troscopic Trace-Gas Sensor Networks - Sensor Integration and Applications // 6th International Symposium on Information Processing in Sensor Networks, 2007, рр. 226-235.

38. L. Mottola, G. P. Picco, M. Ceriotti, §. Guna, and A. L. Murphy. 2010. Not all wireless sensor networks are created equal: A comparative study on tunnels // ACM Trans. Sen. Netw.7, 2, Article 15 (September 2010), 33 pages.

39. M. Ceriotti, L. Mottola, G.P. Picco, A.L. Murphy, S. Guna, M. Corra, M. Pozzi, D. Zonta, P. Zanon. Monitoring heritage buildings with wireless sensor networks: The Torre Aquila deployment // International Conference on Information Processing in Sensor Networks, 2009. IPSN 2009, pp.277-288.

40. F. Simjee and P. H. Chou. Everlast: Long-life, supercapacitor-operated wireles sensor node // In International Symposium on Low Power Electronics and Design, Tegernsee, Germany, October 2006, pages 197-202.

41. R. Torah, P. Glynne-Jones, M. Tudor, T. ODonnell, S. Roy, and S. Beeby. Self-powered autonomous wireless sensor node using vibration energy harvesting // Measurement Science and Technology, 19(12), 2008, pp. 1-8.

42. A. Somov, A. Baranov, A. Savkin, D. Spirjakin, A. Spirjakin, and R. Passerone. Development of wireless sensor network for combustible gas monitoring // Elsevier Journal on Sensors and Actuators, A: Physical 171(2), 2011, pp. 398-405.

43. A. Somov, D. Spirjakin, M. Ivanov, I. Khromushin, R. Passerone, A. Baranov, and A. Savkin. Combustible gases and early fire detection: an autonomous system for wireless sensor networks // In Proceedings of the First ACM International Conference on Energy-Efficient Computing and Networking (e-Energy'10), Passau, Germany, 2010, pp. 85-93.

44. A. Somov, A. Baranov, D. Spirjakin, R. Passerone. Circuit design and power consumption analysis of wireless gas sensor nodes: one-sensor versus two-sensor approach // IEEE Sensors Journal 14(6), 2014, pp. 2056-2063.

45. A. Somov, A. Baranov, A. Savkin, M. Ivanov, L. Calliari, R. Passerone, E. Karpov, and A. Suchkov. Energy-aware gas sensing using wireless sensor networks // In Proceedings of the 9th European Conference on Wireless Sensor Networks (EWSN'12), LNCS vol. 7158, Trento, Italy, February 15-17, 2012, pp. 245-260.

46. C. Hartung, R. Han, C. Seielstad, and S. Holbrook. FireWxNet: a multi-tiered portable wireless system for monitoring weather conditions in wild land fire environments // In Proceedings of the 4th ACM international conference on Mobile systems, applications and services (MobiSys '06), 2006, pp. 28-41.

47. X. Jiang, J. Polastre, and D. Culler, Perpetual environmentally powered sensor networks // In Fourth International Symposium on Information Processing in Sensor Network, CA Los Angeles, USA, April 2005, pages 463-468.

48. Y. H. Chee, M. Koplow, M. Mark, N. Pletcher, M. Seeman, F. Burghardt, D.

л

Steingart, J. Rabaey, P. Wright, and S. Sanders, Pico cube: A 1cm sensor node powered by harvested energy // In Design Automation Conference, CA Anaheim, USA, June 2008, pages 114-119.

49. Стандарта Wifi — Википедия» [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.radio-electronics.com/info/wireless/wi-fi/ieee-802-11-standards-tutorial.php (дата обращения 10.05.2016).

50. Paolo Baronti, Prashant Pillai, Vince W.C. Chook, Stefano Chessa, Alberto Gotta, Y. Fun Hu. Wireless sensor networks: A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards. P. Baronti et al // Computer Communications 30, 2007, pp. 1655-1695.

51. Hao Song, Penger Tong. Scaling laws in turbulent Rayleigh-Benard convection under different geometry // Europhysics Letters Association, Volume 90, Number 4, 2010, pp. 102-109.

52. Melissa J. Lafreniere, Scott F. Lamoureux. Thermal Perturbation and Rainfall Runoff have Greater Impact on Seasonal Solute Loads than Physical Disturbance of the Active Layer // Permafrost and Periglacial Processes, Volume 24, Issue 3, July 2013, pages 241-251.

53. P. Schotanus, F. T. M. Nieuwstadt, H. A. R. De Bruin. Temperature measurement with a sonic anemometer and its application to heat and moisture fluxes // Boundary-Layer Meteorology, May 2013, Volume 26, Issue 1, pp 81-93.

54. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Клецов А.В., Кузьмин Л.В., Лактюшкин А.М., Юркин В.Ю. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети / Радиотехника и электроника, 2008, т. 53, №10, с. 1278-1289.

55. Дмитрий Панфилов, Михаил Соколов: Введение в Беспроводную технологию Zigbee стандара 802.15.4 // Электронные компоненты №12, 2004, с. 73-79.

56. «Стандарта IEEE_802.15.4 — Википедия» [Электронный документ] // Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15.4 (дата обращения 10.05.2016).

57. Douglas Comer. The ZigBee IP Protocol Stack, Purdue University // The Internet Protocol Journal, December 2014, Volume 17, Number 2.

58. IEEE 802.15.4-2003 Part 15.4 // Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs).

59. E. H. Callaway. Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols // CRC Press, 2004.

60. «Цифровой сигнальный процессор — Википедия» [Электронный документ] // Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровой-_сигнальный_процессор (дата обращения 10.05.2016).

61. «CPLD (Complex Programmable Logic Device) — Википедия» [Электронный документ] // Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/CPLD (дата обращения 10.05.2016).

62. «Интегральная схема специального назначения (ASIC) — Википедия» [Электронный документ] // Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ASIC (дата обращения 10.05.2016).

63. «Аналого-цифровой преобразователь — Википедия» [Электронный документ] // Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Aналого-цифровой_преобразователь (дата обращения 10.05.2016).

64. Бродин В. Б., Шагурин И. И. // Микроконтроллеры архитектура, программирование, интерфейс, 1999, с. 100-103.

65. Башкиров А. В., Муратов А. В.. Преимущество параллельных алгоритмов цифровой обработки сигналов над последовательными алгоритмами при реализации на ПЛИС // Вестник Воронежского государственного технического университета, № 1, том 8, 2012, с. 89-92.

66. С. Ф. Тюрин, А. М. Морозов, И. С. Понуровский. Логический элемент ПЛИС-FPGA для реализации днф. // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, № 2 (2013), с. 95-98.

67. ADUC836: MicroConverter® , Dual 16-Bit Sigma-Delta ADCs with Embedded 62 kB Flash MCU [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.analog.com/media/en/datasheets/ADUC836.pdf

(дата обращения 10.05.2016).

68. AT90S2313: 8-bit Microcontroller with 2K Bytes of In-System Programmable Flash [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.atmel.com/images/doc0839.pdf (дата обращения 10.05.2016).

69. ATmega128: 8-bit Atmel Microcontroller with 128KBytes In-System Programmable Flash [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.atmel.com/images/doc2467.pdf (дата обращения 10.05.2016).

70. ATxmega32A4: 8/16-bit XMEGA A4 Microcontroller [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.atmel.com/images/atmel-8069-8-and-16-bit-avr-amega-a4-microcontrollers_datasheet.pdf (дата обращения 10.05.2016).

71. CC2430: A True System-on-Chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee® [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf (дата обращения 10.05.2016).

72. MC1322x: Advanced ZigBee™- Compliant Platform-in-Package (PiP) for the 2.4 GHz IEEE® 802.15.4 Standard [Электронный документ] // Режим доступа: http : //www. nxp. com/files/rf_if/doc/data_sheet/MC 1322x.pdf (дата обращения 10.05.2016).

73. MSP430X14X : Mixed signal microcontroller Texas Instruments [Электронный документ] // Режим доступа: http://pdf1. alldatasheet. com/datasheet-pdf/view/156976/TI/MSP430X 14X.html (дата обращения 10.05.2016).

74. MSP430F16X : Mixed signal microcontroller Texas Instruments [Электронный документ] // Режим доступа:

http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/424678/TI/MSP430F16X.html (дата обращения 10.05.2016).

75. PIC18F8722: 64/80-Pin, 1-Mbit, Enhanced Flash Microcontrollers with 10bit A/D and nano Watt Technology [Электронный документ] // Режим доступа: http: //ww 1 .microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39646b.pdf

(дата обращения 10.05.2016).

76. ADP3335: High Accuracy, Ultralow IQ, 500 mA, anyCAP Low Dropout Regulator [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.analog.com/media/en/ datasheets/ADP3335.pdf (дата обращения 10.05.2016).

77. TPS61031: 96% Efficient Synchronous Boost Converter With 4A Switch [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61031.pdf (дата обращения 10.05.2016).

78. Баранов А. М., Иванов М. А., Савкин А. В., Спирякин Д. Н., Хромушин И.В.. Беспроводный автономный датчик для мониторинга утечек горючих газов // Датчики и системы, № 11, 2010, с. 34-38.

79. NAP-505: Electrochemical Carbon Monoxide Gas Sensor [Электронный документ] // Режим доступа: http://www.nemoto.eu/nap-505.html (дата обращения 10.05.2016).

80. A. Somov, A. Baranov, D. Spirjakin, R. Passerone. Safe Delivery of Sensed Data in Wireless Sensor Networks for Gas Leak Detection: a Boiler Facility Scenario // Procedia Engineering, Volume 47, 2012, Pages 873-876.

81. «Показатель уровня принимаемого сигнала, RSSI - Википедия» [Электронный документ] // Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Показатель_уровня_принимаемого_сигнала (дата обращения 10.05.2016).

82. «Link Quality Indicator (LQI) » [Электронный документ] // Режим доступа: https: //www. anaren. com/air-wiki-zigbee/index.php/Link_Quality_Indication (дата обращения 10.05.2016).

83. Andrey Somov, Alexander Baranov, Denis Spirjakin, Andrey Spirjakin, Vladimir Sleptsov, Roberto Passerone. Deployment and evaluation of a wireless

sensor network for methane leak detection // Sensors and Actuators A: Physical 202: 2013, рр. 114-225.

84. Таубин Феликс Александрович, Чуйков Александр Владимирович. Анализ качества передачи потокового видео в беспроводных ad-hoc-сетях // Информационно-управляющие системы, № 2 (57), 2012, с. 39-47.

85. A. Somov, V. Lebedev, A. Baranov, E. Laukhina, V. Laukhin, R. Passerone, C. Rovira, J. Veciana. Wireless Sensor Node with Ultrasensitive Film Sensors for Emergency Applications // EUROSENSORS 2014, the XXVIII edition of the conference series, Procedia Engineering 87, 2014, рр. 520 - 523.

86. С.Акбари, А.М.Баранов, Д.Н. Спирякин, А.С. Сомов. Автономный беспроводной датчик угарного газа с питанием от альтернативных источников энергии // Журнал «Датчики и Системы» № 2, 2016, с. 48-53.

87. ETRX35x: The Telegesis ETRX351 and ETRX357 modules are low power 2.4GHz ZigBee modules [Электронный документ] // Режим доступа: https://www.maritex.com.pl/media/uploads/products/wi/ETRX35x.pdf

(дата обращения 10.05.2016).

88. A. Somov, A. Baranov, D. Spirjakin. A wireless sensor-actuator system for hazardous gases detection and control // Sensors and Actuators A: Physical 210: 157-164, 2014.

89. J. Hayes, S. Beirne, K.-T. Lau, D. Diamond, Evaluation of a low cost wireless chemical sensor network for environmental monitoring // in: Proceeding of the IEEE Sensors 2008, October 26-29, Lece, Italy, 2008, pp. 530-533.

90. Т. Ф. Ку. Разработка газовых сенсоров с низким энергопотреблением для беспроводных энергонезависимых сенсорных сетей ("умная пыль") // Международный научно-исследовательский журнал №11(42), 2015, с. 116-122.

91. Standard EN 50194:2000: Electrical Apparatus for the Detection of Combustible Gases in Domestic Premises // Test methods and performance requirements (2000).

92. Т. Ф. Ку. Разработка и исследование беспроводной сенсорной сети для мониторинга угарного газа // Международный научно-исследовательский журнал, №6(48), 2016, с. 148-153.

93. S. Akbari, P. C. Thanh and D. S. Veselov. Maximum power point tracking for optimizing energy harvesting process // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering151(2016) 012032, p. 1-4, doi:10.1088/1757-899X/151/1/012032.

94. А.В. Никитов, В.С. Галкин, В.В. Слепцов, А.М. Баранов, А.В. Савкин, М.И. Иванов. Перспективы развития систем промышленной безопасности -беспроводные сенсорные сети // Недропользование XXI век, №2 (27) май-июнь 2011, с. 70-75.

95. Т. Ф. Ку, Саба Акбари. Оптимизация процесса сбора солнечной энергии при питании беспроводного датчика метана от возобновляемых источников энергии // журнал «Труды МАИ», выпуск № 94, 05. 2017, с. 1-18.