Научная статья на тему 'Using a wireless sensor network for measuring the oxygen level in industrial environment'

Using a wireless sensor network for measuring the oxygen level in industrial environment Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

CC BY
97
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
WIRELESS OXYGEN SENSOR NETWORK / SENSOR NODE / SERVER SIDE SOFTWARE

Аннотация научной статьи по фундаментальной медицине, автор научной работы — Tokmakov Dimitar, Kafadarova Nadezhda

This paper presents the design and practical implementation of wireless sensor network (WSN) and its use for the measurement the level of oxygen in the air in a production plant. It consists from 4 wireless sensor nodes with oxygen sensor which transmits the level of oxygen to wireless base station and measures the level of oxygen in 4 zones in a production plant. The measurement system have 2 threshold levels for the oxygen 19% and 18% and there is automatic events for these levels. The data from 4 oxygen wireless sensors are also transmitted to web server in internet for data backup and visualization.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Using a wireless sensor network for measuring the oxygen level in industrial environment»

Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив. Серия В. Техника и технологии, т. XIV, ISSN 1311-9419 (Print), ISSN 2534-9384 (On- line), 2017. Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XIV., ISSN 1311-9419 (Print), ISSN 2534-9384 (On- line), 2017.

ИЗПОЛЗВАНЕ НА БЕЗЖИЧНА СЕНЗОРНА МРЕЖА ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА СЪДЪРЖАНИЕТО НА КИСЛОРОД В ПРОМИШЛЕНОСТТА

Димитър Токмаков, Надежда Кафадарова Пловдивски Университет „Паисий Хилендарски"

USING A WIRELESS SENSOR NETWORK FOR MEASURING THE OXYGEN LEVEL IN INDUSTRIAL ENVIRONMENT

Dimitar Tokmakov, Nadezhda Kafadarova University of Plovdiv "Paisii Hilendarski", Plovdiv, Bulgaria

Abstract: This paper presents the design and practical implementation of wireless sensor network (WSN) and its use for the measurement the level of oxygen in the air in a production plant. It consists from 4 wireless sensor nodes with oxygen sensor which transmits the level of oxygen to wireless base station and measures the level of oxygen in 4 zones in a production plant. The measurement system have 2 threshold levels for the oxygen - 19% and 18% and there is automatic events for these levels. The data from 4 oxygen wireless sensors are also transmitted to web server in internet for data backup and visualization.

Keywords: wireless oxygen sensor network, sensor node, server side software.

Въведение: В промишлеността често се използват специални газове в производствените процеси. В случая когато се използва азот за охлаждане и той се смесва в големи количества с въздуха в производствените помещения съществува риск нивото на кислорода да спадне под 20.9% и да се застраши здравето и живота на работниците в помещението. Дефинират се 2 прагови нива 19% - при което е възможно възникване на обща слабост, болки в мускулите, световъртеж, главоболие, раздразнителност и умора. Ниво от 18% , при което или под което е възможно да се стигне до припадане. Затова в предприятията, където се използва азот в големи количества се налага да се следи нивото на кислорода във въздуха и да се включват определени аларми и вентилация когато то е извън нормата. В настоящата работа се описва практическата разработка на безжична сензорна мрежа от 4 безжични сензорни възела с кислороден сензор и батерийно захранване, предаващи данните от измерванията към базова станция. Базовата станция е включена към микропроцесорна система визуализираща и анализираща данните от измерванията и включваща аларми при определени нива на кислорода във въздуха 19% и 18%, включване на общ спирателен клапан за подаването на азот, както и включване на вентилация в помещението.

Материали и методи: Съществуват редица методи за и сензори за измерване на кислород в газова среда - легиран с платина циркониев електрод, електрохимични (галванични),

ултразвукови, оптични на базата на флуоресценция и методи с лазерно измерване. Всеки от методите има своите предимства и недостатъци. При сензорите с циркониев електрод се налага нагряване на електрода с реотан, което води до повишен разход на енергия и малъкжнвот на ocpso^ от 2°3 гoдинлноpгдипpoмpлa HaTeMne^iy^HTe irapaMeHpH. EлeктpoхимичнитecеPЗOpл ca бизнтершване к тдгдeтaвлявaтeлaиIpoxимищ^a oreicra -бттeвтдyoятo eeнepдлPнacIpeжтнруили рок,в sabhotmaca от концен^сцокта pa днeмyлвтв клeткaтт.Haй-кoчpтcaо птизоите сензори бaтиpoщи се натимкртанена флу oj е с^ i^^^í^c^^ в газова среда чрез оптико-електронни методи.

Безжичната сензорна мрежа се състои от разпределени в пространството автономни, безжични сензорни възли. Всеки възел се състои от сензор за кислород, усилвател, ммpтнлyшppлep с eнopттo-мифpтт cIpeaбдт:нíвoтeл,OГeMHт пpиeмo-Iфeдapттeд e ^Утт модклрмро о pOT^on^.aV тип 18B50. Ei пpeвдтaтнaгкpлздобoоoт amP сенторт, оорто щэедават дaнниae от иIбepoнлията безжичнккъм бaз0бтcт0шщя и миppaдpвдeяopтo система за обработка на от изметшаншта.

433MHZ FSK Translever RFM12Ö

О2 wireless sensor node Zone 1

433MHZFSK Translever RFM12Ö

433MHZ FSK Translever RFM12Ö

I

O2 wireless sensor node Zone2

RFM12Ö 433MHZ FSK base station

O2 wireless sensor node Zone 3

Production plant

433MHZ FSK Translever RFM12Ö

I

O2 wireless sensor node Zone4

фиг. 1 Блокова схема на безжична сензорнамрежа за измерваненаконцентрациятана

02 във въздуха

На фиг.1 е показана блоковата схема на безжичната сензорна мрежа. По енерго-ефективен протокол за пренос на данни, така че да се гарантира дълга автономна работа с едно зареждане на 3.7У акумулатор тип 18650, се предават данните от измерванията за

концентрацията на кислород в 4 зони на производствено помещение на завод за тестване на интегрални схеми, където се използва течен азот за охлаждане. Безжичните сензорни възли правят серия измервания в интервал от 5 минути и изпращат пакет от данни към базовата станция.Интервалана комуникацияц чрез транаивера RFM12b е динал^ии^е!^, о ip-еде лен от сериятаизмерванияиако яномо големи ицзликцв стойноснитеД<±5%то те се щ-едават ня всеки 5 мин . Ако разлаярац ДТЯ=5%,то то ее ые^ъ^стетва1ноь^(^1^':^^лаокиник^^ц^ан^1ца в реалнн време. Таеа сег^шяря.тчя зто Е^момяс^ри^она]яияаав^о на концешряцшгга нациаоарид в даценанянавистемазаще реааиро is реалнавремт.Прре он'етя^вя^с^н^г) в^ме беерюценитт сензорни ^ъьи^л^ изпндатт т.нар deep sleep състояние на ниско потребление на енергия от порядъка на ЗТ-50 uA,

Иерията измтрвоеняот Тнзжиянитт нзорни тъзли се 1федоват къмбвзотатa стмщия на безжината сензорнт мртаа, коятосесъсзоиан нниамо-предаватеиВеРМ12Ь на ^^ЗНИКНр^, микррконтрвтерАГеТЕСА328, маероко нвролерЕЗРР 2В6 OBie^i^^H Wi-F- модулзанаплтоаня на сертятаизмерваняя я нонЬ снрвнр винвнpрот,4 броя LCD дасплеинави^аллеиранн но данное. от ремpиpениятезц ерния-ц,зтаев иннцула ррлрвя, коанробьа0ответяъСшоия при праг на измеррна конкршрнцш! накислород 19%, и праг 18%.

Безжични сензорни възли. На фиг.2 е показана блоковата схема на безжичния сензорен възел за измерване на концентрацията на кислород във въздуха.

фиг.2. Блоковасхеманабезжичен сензорен възелза измерванена кислород

Използваният сензор за кислород е PO2-1X на фирмата Southland sensing Ltd, работещ в обхвата от 0-100% и даващ изходен ток в интервала 245-430 uA. Изходния ток на сензора за кислород се преобразува в напрежение от операционния усилвател и след това се подава на аналогов вход на микроконтролера ATMEGA328, където се преобразува в цифров код от вградения 10-битов аналого-цифров преобразувател. Извършват се 5 измервания на всяка минута, данните се обработват, опаковат и изпращат на базовата станция чрез трансивера RFM12b на всеки 5 минути. През останалото време, когато няма комуникация с базовата станция или измерване от микроконтролера и двата модула се поставят в състояние на ниска консумацияна енергия(deep sleep).

Програмно осигуряване: Програмното осигуряване на системата включва фърмуеъри за микроконтролера ATMEGA328 и Wi-Fi модула ESP8266 за базовата станция , както и фърмъер за микроконтролера ATMEGA 328 за безжичните сензорни възли. Разработен е и сървърен web-базиран софтуер за събиране, обработка и съхранение на данните реализиран чрез технологиите PHP, MySQL и Node .js.

Управляващата програма на безжичните сензорни възли организира серията измервания на концентрацията на кислород в дадената зона, проверка дали текущите стойности на измерване се различават повече от Д<±5%, изпращане на пакет от данни на

всеки 5 минути към базовата станция и управление на режимите на ниско потребление на енерпм замикроконтролера АТМЕСА328и трансивсраКтМ12Ь.

Ущэашшващава пдогрша забаювата гатнщморпшизира получаването на данните от безжушиее сензарнд ^т^га^о, аизуааасащиаат тм дисплеи, ртоаа и орт>втаока

аа тъботит пpиизмгттна стойетстиот19% из 8% концентрация на кисаодсщ, оскта и мпдоатaдaнт оа няктъот Тезжичтиаг тeакаpниаъз2P. Софтусаътна базотагадганрия дстттща даннизeyеттмepвркоятayак сървтто враеро^ко, къддав данните ссархивират и еис2алисиyаа ат cпeцилJшeрсyртааттнcъpвъpeнъeфоyeр.

Резултати и абсъждже: На фиъ 3 саидаоси,. графтиоа данните и8yрнщвни от интолиrотатитe къети са чeтyииоe авти аа измepвaнeнaкoнцeнтpтцпатв на

рнслаyад е дpeизвeдcaвeнeypeдyтмятиe.Д;тшpae сеорсдавао векоъж раотекотмищги.

2] зм

Фиг.3 Резултати от изпратените на сървъра данни за концентрацията на кислород На фиг.4 е показана монтираната базова станция в производствено предприятие за измерване и следене на концентрацията на кислород.

Фиг.4 Базова станция на безжичната сензорна мрежа за измерване на концентрацията на кислород в производствено предприятие

С така разработената безжична сензорна мрежа се извършва измерване и следене концентрацията на кислород в производствено предприятие, където е възможно да възникне авария ако има изтичане на азот използван при тестването на интегрални схеми.

Заключение: Настоящата работа представя резултатите от проектирането, практическата реализация, тестването и експлоатацията на безжична сензорна мрежа за измерване и следене на концентрацията на кислород в промишлено предприятие.

Разработеният енерго-ефективен комуникационен протокол между безжичните възли и базовата станция осигурява около 3 месеца автономна работа на безжичния сензорен възел с едно зареждане на 2100mAh Li-ion 3.7V акумулаторна батерия тип 18650.

Данните от измерванията се визуализират на 4 LCD дисплея за всяка зона за измерване. Базовата станция е програмирана да обработва критични ситуации - измерени нива на кислород 19% и 18%, да включва аларми, клапан за спиране на азота, както и вентилацията в помещенията.

Използването на безжична сензорна мрежа дава изключителна свобода при разполагането на сензорите (липса на кабели), възможност за лесна промяна на физическото положение на сензора, лесно добавяне на допълнителни сензори и точки за измерване и др.

Авторите изказват благодарност за финансовата подкрепа на проекти СП15-ФФИТ-009 и НИ15-ФФИТ-005 на НПД при ПУ „П.Хилендарски".

Използвана литература:

Kolban's book on ESP 8266, Neil Kolban, November 2015, http://neilkolban.com/tech/ esp8266/

Remigiusz Olejnik "An Experimental Wireless Mesh Network Node Based on AVR ATmega16 Microcontroller and RFM12B Radio Module" , Proceedings of 7th Conference, CN 2010, Ustron, Poland, June 15-19, 2010

Li Li, Hu Xiaoguang, Chen Ke, He Ketai, „The applications of WiFi-based Wireless Sensor Network in Internet of Things and Smart Grid" Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2011 6th IEEE Conference on, 21-23 June 2011

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.