CC BY
18
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
