CC BY
13
УДК 004.428.4:614.849
Чернухин А.В., Сверчков А.М., Савицкая Т.В.
УМНЫЕ ДАТЧИКИ И БАЗА ДАННЫХ КАК ЭЛЕМЕНТЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ЭВАКУАЦИИ
Чернухин Артём Валерьевич, студент 2 курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга;
e-mail: dr.chemuhin@yandex.ru
Сверчков Андрей Михайлович, ассистент кафедры компьютерно-интегрированных систем в химической технологии;
Савицкая Татьяна Вадимовна, д.т.н., профессор кафедры компьютерно-интегрированных систем в химической технологии.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
В данной статье представлены этапы и результаты разработки умного датчика и базы данных, которые будут использоваться в информационной системе эвакуации на опасных химических производствах. Представлена структура реализованной базы данных, содержащей информацию о параметрах моделирования, помещениях предприятия, сотрудниках, датчиках, устройствах пожаротушения и путях эвакуации. Описана схема работы связки «умный датчик-база данных».
Ключевые слова: умный датчик, база данных, информационная система эвакуации, сбор данных, анализ данных.
SMART SENSORS AND DATABASE AS ELEMENTS OF EVACUATION INFORMATION SYSTEM
Chernukhin Artem Valerievich, Sverchkov Andrew Mikhailovich, Savitskaya Tatiana Vadimovna. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
This article presents the stages and results of the development of a smart sensor and a database that will be used in the information system for evacuation from hazardous chemical production. The structure of the implemented database is presented, which contains information about the modeling parameters, the premises of the enterprise, employees, sensors, fire extinguishing devices and escape routes. The scheme of the "smart sensor-database " connection is described.
Keywords: smart sensor, database, evacuation information system, data collection, data analysis.
В настоящее время как в России, так и во всем мире активно продолжается автоматизация всех отраслей промышленного производства. Это приводит к усложнению инфраструктуры предприятия, представляющего собой многоуровневую
информационно-техническую систему. Вместе с этим возникает необходимость в создании информационной системы, внедрение которой будет направлено на своевременную организацию и проведение эвакуации.
Данная работа посвящена созданию одного из ключевых элементов таких систем - «умному датчику», способному в реальном времени собирать информацию о состоянии производственного объекта, а также будет описана структура базы данных, в которую, помимо данных с датчиков, будут записываться все параметры, необходимые для моделирования эвакуации.
Разработанный датчик выполняет следующие функции:
1. измерять температуру и влажность воздуха;
2. определять число людей в помещении;
3. измерять концентрацию различных газов в воздухе;
4. передавать информацию по беспроводной связи;
5. в случае выхода из строя модуля беспроводной связи датчик будет записывать данные на внутренний накопитель.
На первом этапе была выбрана плата с микроконтроллером, на базе которой будет строиться сам датчик. Наиболее подходящим вариантом является
плата Arduino Uno R3, так как она обладает небольшими габаритами и богатым функционалом, а также огромным числом подключаемых датчиков и исполнительных устройств от сторонних производителей [1].
В качестве датчика температуры и влажности используется модуль DHT11, измеряющий влажность в диапазоне от 0 до 100 %, а показания можно считывать каждые 2 секунды.
Для определения наличия людей в помещении лучше всего подходит PIR-датчик движения. Его конструкция достаточна проста и включает: пироэлектрический элемент, который характеризуется высокой чувствительностью к инфракрасному излучению и полусферу, состоящую из нескольких линз, обеспечивающих фокусировку излучения тепловой энергии. Зона обнаружения движущихся объектов составляет 7 метров, а диапазон угла отслеживания равен 110°. Следуя из функциональных возможностей датчика, можно сделать вывод, что его использование обусловлено как для определения наличия людей в помещении, так и для раннего обнаружения пожара на предприятии [2].
Для определения концентрации различных газов в помещении используются датчики серии MQ, а именно: датчик MQ-2 для определения концентрации дыма; датчик MQ-5 для определения концентрации этилового спирта; датчик MQ-6 для определения концентрации сжиженного газа; датчик MQ-7 для определения концентрации СО; датчик MQ-8 для
определения концентрации водорода; датчик MQ-135 для определения концентрации аммиака. Датчики настроены для фиксирования превышения ПДК максимально разового в рабочей зоне и других помещениях предприятия. Принцип работы датчиков очень схож и основан на изменении сопротивления тонкопленочного слоя диоксида олова SnO2 при контакте с молекулами определяемого газа. Чувствительный элемент датчика состоит из керамической трубки с покрытием Al2O3 и нанесенного на неё чувствительного слоя диоксида олова. Внутри трубки проходит нагревательный элемент, который нагревает чувствительный слой до температуры, при которой он начинает реагировать на определяемый газ. Чувствительность к разным газам достигается варьированием состава примесей в чувствительном слое. Столь широкий спектр используемых датчиков обоснован спецификой различных опасных производственных объектов, на которых могут храниться как смеси углеводороды, так и аммиак, водород или сжиженные углеводородные газы. Датчик же СО универсален и может использоваться на любом производстве. Также изначально планировалось использовать датчик О2, так как изменение содержания кислорода в воздухе является одним первейших признаков возникновения пожара на предприятии. Но стоимость датчиков такого типа начинается с 5 тысяч рублей, и их дороговизна обусловлена высокой точностью и чувствительностью, потому на данном этапе от них пришлось отказаться.
Для передачи информации по беспроводной связи используется радиомодуль NRF24L01+PA+LNA, отличающийся повышенной чувствительностью приёмника и увеличенной мощностью передатчика, что позволяет передавать данные на расстояние до 1 км со скоростью 270 KB/c. Помимо прочего, модуль оснащен чипом RFaxis RFX2401C, объединяющим схемы коммутации передачи и приема. Именно за счет него достигается столь значительное значение расстояния, на которое может передаваться информация.
В качестве временного хранилища данных в случае сбоя работы радиомодуля используется SD-карта, модуль которой так же встроен в датчик и осуществляет функции хранения, чтения и записи информации на карту.
Для точного определения числа сотрудников в помещении используется отдельная плата Arduino Uno R3 с встроенным модулем Arduino RFID RC522, считывающим номер RFID-ключа, необходимого для доступа в помещение.
Следующей задачей является создание базы данных информационной системы эвакуации, в которую будет записываться информация с датчиков, а также будут храниться все данные о проведении и моделировании эвакуации [3].
На рисунке 1 представлена структура разработанной базы данных.
База состоит из 12 таблиц, между которыми установлены связи один ко многим:
1) DEPARTMENTS - содержит информацию об отделах предприятия;
2) PATHWAYS - содержит информацию о возможных путях выхода из конкретного помещения;
3) EMPLOYEE_DATA - содержит информацию о сотруднике;
4) EMPLOYEE_CROSSING - содержит информацию о перемещении сотрудника во время эвакуации;
5) PARAMETERS_EVACUATION - содержит информацию о рассчитанных параметрах эвакуации;
6) SENSORS - содержит информацию о датчиках;
7) DATA_FROM_SENSORS - содержит информацию с датчиков;
8) INDICATORS - содержит информацию о собираемых датчиком параметрах;
9) MODEL_SENS - содержит информацию о модели датчика;
10) DEVICES - содержит информацию о механизмах;
11) FUNCTIONS_DEVICE - содержит информацию о функциях, выполняемых механизмами;
12) PARAMETERS_MODEL - содержит информацию модели расчета времени эвакуации.
На данном этапе в базе хранится информация об индивидуально-поточной и упрощенно-аналитической моделях, что связано с удобством сравнения полученных ими параметров.
Возможно, в дальнейшем придется отказаться от использования сущности FUNCTIONS_DEVICE, так как доработка информационной системы с учетом устройств пожаротушения не представляется целесообразным на данном этапе. Также будет расширяться сущность PARAMETERS_MODEL, потому что сейчас некоторые параметры, необходимые для расчета, приходится хранить в программном приложении.
Сущности SENSORS и DEPARTMENTS связаны через первичный ключ DEP_ID, следовательно, к конкретному помещению привязаны все датчики, которые в нем находятся.
Также данную БД может использовать программное приложение для ПК, которое производит расчет времени эвакуации по индивидуально-поточной модели или упрощенной аналитической модели.
Схема работы связки «умный датчик - БД» выглядит следующим образом:
1) Датчик считывает информацию;
2) Информация предаётся с датчика по беспроводной связи на приемник, подключенный к персональному компьютеру;
3) Исходя из привязки датчика к конкретному помещению, его модели и уникального номера информация с приемника ПК записывает в облачную базу данных.
FK РАЯ AME ТЕ EW DEPABT4E
DEPARTMENTS
PFP ID
DEP.NAME ОЕР_СЕМТЯ_К NUMBER;B.4. DEP_CENTfi_V NUMBEF4B.4;
lifH fill
VARCHAR2i(200 BTTEh nul
[¥jl IKll
FK EMPlQY&btJATA DEPARTME
EMPLOïEE_OfclA
FMP ID tlliwe1 " Гм1
PEP ID fliege nçt ngC
tup WUAE VAKCHARî.îOOBÏltl ГКЛ
ЕЧР SUFIMA4F VAEiÇHARÎ.ÎOûevTEl ГН*
tup_HUH9EK VARCHAR2ÎI2 &YTE> ГНЛ
FK.EUPLÖVEEC PAFlAHfcCEBiA EMPLOYE EOAIÎ
ÎÛSS EHPtßATA
HvYAYS in I 'EPART ,1E
F к PA thivay;
FK DEVICES OEPARTME
devices
DEPJO
DEVICES
DEVICES
DEV1ÖES
nlaqer ^rit^ ДД| nut
-ik=- nçl nur
JAMS: wcHwcnmi] nui
№TAL_TNC rjATF nul
FROH fiEPARTME
PATH ИИ VS
РАТИ-ID INTEGER JWI ml
PATH ffiOM INTEGER nul
PATH IK INTEGER <Я:1> mJ
PATH LENGTH NUMBERS IHJI
Fn SSNS ОЁРАЙТМЕ
FK FtjNCTlOl Mv DEVICES
FmnCtiOnS.OEviCE
FLIKCT 0ÉV 10 .nleo°r ■ ■ t k ГП1 null
OËViCCS IL) mle^r «flc» г eil null
FUHtT MV NAME VARCHAfraiJOJftyVË) nun
f.lODEL SENS
3ENÎJD huaaflf -ah* да nut
MOF_5ENS_NAME tfAKCHARJiJOO BYTE) nul
tMPiûYÏE.CFÎÛSSINÛ
Г.Р051П tfïlpyw nnt Л.Д
EMP_|D rfïlegfli -îlV^ not nul
CR03_GPS_LATn\IDE NUMBER(12.ej null
tROS.OfS.LONGrUDE 4UHBER(1Z.«J null
CP0S_CIATA_ANC>_T1U|E DATE ngll
к sfMSOfta
HoeELseNS
Fit cow
3EN40RS
SENS ID mil гч"
L>EP ID nlegef <M> i4l nun
SENS МАШЕ VflRCHAP2i2l»evTEj nui
SËNSJNSÏALL.ÏIME &AÏÉ nul
PAftAHÉTEftS.ÉVACLFATlÛN
PAR FVAjCL-IAÏIÎIN JE :nl(KWf nert rvjl
ÉMF IU tfïleflev «Iklb iKd Гц|1
CEP m tfïlngnf ÏK* nul
PAR EVACUATION TIME NUMBEMVM] nul
Pi,R_FVAlÇL,IATIQ14_ wuMBfü: INTEGER nul
PAHAMETESS model
PAR. MOD ID rtlMSr 1Ч11ЧД
PAR MOD DATA M'JMBERi 20 6: nul
PAR MOD NAME VARCHAR2|20C EYTEl lull
PAR_MOD NUMB£R_MOD INTEGER mil
cusjii
COd_UCC_SENS_ANtfjNir,ATOR&
H'^F SEHft ID nl^aor -n* ГД1 пьм
INC ID INTEGER Г.2-- nglni.ll
FK DATAfPOS ÏNS SENSCflS
FK OOHMO J IHDKATO
IND 10 INTEGER lND_hliiME vAfiCHAREiîOierTEi
FK DATAFROS EWS INDICATO
DiTA_F FiQH.SEPJSORS
Si US DATA ID nlCflef ■ p r: not mil
SENS 10 tfTlcgw notmil
IND ID INTEGER 'И-1 not nul
SENS DATA MUMKIKU null
SENS_DATA_TlML_SPENDlNG DATE null
Рис. 1. Структура базы данных
Проанализировав все возможности комплексного 2. умного датчика, можно сделать вывод, что он представляет большой интерес для разработчиков комплексных информационных систем эвакуации, так 3 как полностью соответствует нормам, прописанным в приказе МЧС № 382 [4] и способен: измерять температуру и влажность в помещении; измерять концентрацию различных газов в воздухе; определять наличие людей или возгорания в здании; передавать всю полученную информацию в облачную БД через модуль беспроводной связи; определять точное число людей в помещении с помощью отдельного прибора считывания RFID меток. Тоже самое можно сказать и о базе данных, аккумулирующей в себе не только данные, считываемые с датчиков, но и информацию о проведении и моделировании эвакуации в целом.
Список литературы 1. Официальный сайт компании Arduino Software. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.arduino.cc/en/Main/Software (дата
обращения: 28.05.2020).
4.
Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Ardumo. 2-е изд. // В.А. Петин // -Санкт-Петербург: Издательство: БХВ, 2015. - 141 с. Чернухин А.В., Сверчков А.М. Комплекс программных средств информационной системы по эвакуации персонала предприятия / А.В. Чернухин, А. М. Сверчков. - Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том XXХII, № 1. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2018. - с. 48-50.
Приказ МЧС РФ от 30.06.2009 № 382 от 12.12.2011г. «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://fire-аи&18иМ/514375М/32.рпкж-тсЬ8-й?-о1;-30^уипуа-2009 g.pdf/ (дата обращения: 28.05.2020).
