Предложен подход дистанционного сбора и централизованной обработки состояния уровня углекислого газа в воздушной среде. Дистанционный сбор обеспечивает полную безопасность обслуживающего персонала и позволяет производить контроль состояния проверяемого объекта. Централизованная обработка обеспечивает наблюдение за несколькими помещениями одновременно, при задействовании нескольких устройств.
Ключевые слова: дистанционный контроль, воздушная среда, централизованная обработка.
В настоящее время контроль состояния воздушной среды во многих случаях становится исключительно важной задачей. И особенно контроль и оценка углекислого газа в среде. Архивные, древние и иные ценные объекты, чувствительные к изменению уровня углекислого газа, могут без должного контроля быстрее портиться, разрушаться или стариться. Своевременное обнаружение критического уровня углекислого газа позволяет предупредить отравление персонала и порчу чувствительных к нему предметов хранилищ, других контролируемых помещений. Стала актуальной задача дистанционного измерения состава воздушной среды, что обеспечивает полную безопасность обслуживающего персонала. Кроме того, дистанционный интерфейс позволяет производить контроль состояния проверяемого объекта.
Существующие системы эффективно справляются со своей работой. Однако, контроль с помощью таких систем зачастую требует все большего человеческого участия. Кроме того, известно, что человек способен ошибаться. Предлагаемая работа представляет возможность автоматизации анализа результатов замеров уровня углекислого газа. Новое устройство должно обеспечить дистанционно сбор информации об уровне углекислого газа и ее последующую централизованную обработку компьютерной программой. При критическом уровне углекислого газа оператор будет с её помощью дистанционно оповещён.
Основная часть
Были рассмотрены характеристики уже имеющихся в продаже аналогичных устройств для проверки их соответствия поставленной задаче.
Устройство MT 8060 [1] имеет встроенный высокочувствительный датчик, измеряющий количество молекул углекислого газа в воздухе. Прибор имеет большой жидкокристаллический экран, на котором отображаются показатели уровня углекислого газа, влажности и температуры окружающей среды. Также на передней панели расположены три светодиода (зеленый, желтый, красный), которые сигнализируют о нормальной, повышенной и высокой концентрации углекислого газа соответственно.
Устройство MT 8057S [2] имеет встроенный высокочувствительный датчик, измеряющий количество молекул CO2 в воздухе. Прибор имеет небольшой жидкокристаллический экран, на котором отображаются показатели уровня углекислого газа. Также на передней панели расположены три светодиода (зеленый, желтый, красный), которые сигнализируют о нормальной, повышенной и высокой концентрации углекислого газа соответственно. Присутствует функция выгрузки данных по USB.
Устройство AZ 7722 [3] позволяет контролировать содержание углекислого газа в воздухе и оценивать эффективность вентиляции помещения. Большой жидкокристаллический экран отображает концентрацию углекислого газа в ppm, температуру и относительную влажность. Подаётся сигнал при критических концентрациях углекислого газа. Присутствует система автоматической калибровки.
Таблица 1
Сравнение характеристик
|
Устройство |
Диапазон измерений CO2, ppm |
Отклик, мин |
Размеры, мм |
Вес, г |
Питание, В |
Сбор данных |
Цена, руб. |
|
1 |
0–3000 |
2 |
137×99×51 |
185 |
5 |
отсутствует |
9900 |
|
2 |
0–3000 |
1,5 |
115×38×25 |
158 |
5 |
по USB |
5950 |
|
3 |
0–9999 |
0,5 |
130×85×60 |
200 |
12 |
отсутствует |
16990 |
Анализ устройств показал, что все аналоги не имеют функции дистанционного контроля воздушной среды. Сбор данных для последующей обработки возможен лишь у устройства [2], но локально, по USB. Большие размеры и вес ограничивают варианты их стационарного размещения. Кроме того, присутствуют, на наш взгляд, лишние функции — анализ температуры и влажности воздушной среды. Наконец, цена представленных устройств высока, так как они предназначены для одиночного персонального пользования, а не для работы в случаях, где может потребоваться несколько устройств, в зависимости от размеров и количества помещений. Таким образом, известные устройства не соответствуют требуемому функционалу и затратам.
Представляется, что причиной многих проблем в данном случае является сложная, при их функционале, и дорогая компонентная база. Следствием этого становится, в частности, усложнение производства и повышение стоимости продукта. Также сложная компонентная база требует повышенных требований к контролю надёжности.
Предлагаемое в работе решение определяется основным минимальным набором требуемых от него функций. Изделие должно анализировать уровень углекислого газа в воздушной среде и затем по сети Wi-Fi передавать данные в центр для последующей обработки в соответствии с заданной программой. Для визуального восприятия информации предусмотрен LCD дисплей. Для звукового оповещения о критическом уровне углекислого газа встроен динамик. По сравнению с известными аналогами, предлагаемое решение не имеет функции анализа температуры и влажности окружающей среды. Передача по сети Wi-Fi — новая функция, отсутствующая у аналогов.
Далее был проведен анализ и выбор датчиков [4, 5].
Датчик MQ-135 позволяет обнаруживать в воздухе широкий диапазон газов — дыма, углекислого газа, аммиака, бензина, спиртов, оксидов азота и других. Принцип работы датчика 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.
Датчик MQ-7 позволяет определить наличие и концентрацию угарного газа в окружающей среде. Основным рабочим элементом датчика является нагревательный элемент, за счет которого происходит химическая реакция, в результате которой получается информация о концентрации газа. Поэтому во время работы сенсор будет горячим. Для получения стабильных показаний новый сенсор необходимо один раз прогреть (оставить включённым) в течение 48 часов. После этого стабилизация после включения будет занимать около минуты. Выдаваемый датчиком аналоговый сигнал пропорционален концентрации угарного газа. Показания датчика подвержены влиянию температуры и влажности окружающего воздуха. Поэтому в случае использования датчика MQ-7 в изменяющейся среде, при необходимости получения точных показаний, понадобится реализовать компенсацию этих параметров.
Перед применением датчиков, их необходимо продолжительное время калибровать при заданной температуре (обычно 25°C). Данная процедура предназначена для получения уникального для датчика коэффициента, который будет использоваться в прошивке микроконтроллера для вычисления показаний. Калибровку проводят единожды. Без этой процедуры полученные данные не точны.
Полученную датчиками и обработанную микроконтроллером информацию посредством дистанционной связи собирают в удалённом центре, на компьютере. Сделать это проще всего с помощью беспроводного Wi-Fi соединения.
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема
Принципиальная электрическая схема устройства представлена на рисунке 1.
Устройство питается напряжением 5 В (подключение через разъём XS4). Основные узлы — микроконтроллер ESP8266EX (DD1), флеш память (DD2), I2C oled дисплей (подключение через разъём XS5), датчик углекислого газа (подключение через разъём XS2), стабилизатор напряжения +3,3 В (DD3) и зуммер (подключение через разъём XS1).
Входное напряжение понижается стабилизатором (DD3) до 3,3 В и подаётся на пины, обозначенные на схеме как +3,3V. Напряжение 5 В подаётся на дисплей.
Для управления устройством выбран микроконтроллер ESP8266EX, основанном на 32-bit процессоре Tensilica [6]. Частота процессора — 80 МГц, возможен разгон до 160 МГц. Программируется на простом для обучения скриптовом языке Lua. Связь с различными устройствами через пины обеспечивают SPI, I2S, UART, 10-bit АЦП I2C интерфейсы. Также возможно подключение по беспроводной сети Wi-Fi (к пину 2 микроконтроллера подключена антенна), что соответствует необходимым требованиям. В микроконтроллере отсутствует встроенная флэш-память. Для хранения данных прошивки и обрабатываемой информации, к микроконтроллеру подключена SPI флэш-память на 4 мегабайта.
Датчик MQ-135 имеет цифровой и аналоговый пины для получения с него данных. Цифровой вывод лишь сигнализирует о соответствии или несоответствии входных данных (уровня углекислого газа в воздухе) определённому значению. Аналоговый вывод посылает текущие данные о состоянии воздуха. Аналоговый выход датчика подключен к пину ADC_IN микроконтроллера ESP8266EX для последующей обработки.
Для звукового оповещения к пину GPIO2 микроконтроллера подключен активный зуммер. При подаче напряжения раздаётся сигнал.
Для графического представления обрабатываемой информации к микроконтроллеру по интерфейсу I2C подключен OLED дисплей с подсветкой, с разрешением 128x32 пикселей.
Возможно, из-за упрощения элементной базы, снизится итоговая стоимость.
Заключение
Таким образом, используя предложенный подход, разработано устройство дистанционного контроля и оценки воздушной среды в помещениях, которое, на наш взгляд, будет иметь лучшие характеристики по стоимости с новыми функциональными возможностями при дистанционном сборе информации об уровне углекислого газа и ее последующей централизованной обработке.
Литература:
- Монитор качества воздуха Даджет MT8060 // Экомерка URL: https://www.ecomerka.ru/detector-uglekislogo-gaza-zvukom-p-119.html
- Детектор углекислого газа Даджет MT8057S // Экомерка URL: https://www.ecomerka.ru/detector-uglekislogo-gaza-zvukom-p-119.html
- Измеритель концентрации углекислого газа AZ 7722 // Breeeth URL: https://www.breeethretail.ru/production/datchiki-kachestva-vozdukha/izmeritel_kontsentratsii_uglekislogo_gaza_co2_az_7722/
- Датчик углекислого газа MQ-135 // Амперка URL: http://wiki.amperka.ru/продукты:mq135
- Датчик угарного газа MQ-7 // Амперка URL: http://wiki.amperka.ru/продукты:mq7
- ESP8266EX Datasheet. — 6.0 изд. Espressif Systems, 2018.
