В статье автор рассматривает проблему увеличения длительности автономной работы беспроводных сенсорных устройств для промышленного применения за счет использования системы сбора энергии радиоволн. Работа выполняется на основании договора № 89ГУЦЭС8-D3/56419 от 21.12.2019 (код 0056419), заявка № У-58956, конкурс УМНИК-19 (ЦЭ), ЦЭ — Цифровая Россия. Санкт-Петербург — 2019.
Ключевые слова: мониторинг, беспроводной датчик, низкое энергопотребление, система сбора энергии.
Основной проблемой современных промышленных систем мониторинга параметров является длительность автономной работы от аккумуляторной батареи. Ограниченный срок автономной работы приводит к необходимости замены батарей (или всего датчика), что приводит к увеличению стоимости обслуживания системы, особенно в промышленных условиях, сопряженных с необходимостью в наличии большого числа датчиков [1].
Разрабатываемая система мониторинга параметров будет представлять собой универсальное решение, обеспечивающее увеличенную длительность автономной работы устройства от аккумуляторной батареи за счет применения системы сбора энергии радиоволн дециметрового диапазона.
Применение системы сбора энергии радиоволн подразумевает наличие внешних электромагнитных полей.
Наличие внешних электромагнитных полей может приводить к внутриканальной интерференции с приемопередающим трактом, что негативно сказывается на качестве передаваемого полезного сигнала. Одним из условий возникновения устойчивой интерференции является когерентность волновых процессов.
Также наличие внешних электромагнитных волн достаточной мощности при попадании в полосу пропускания приемного усилителя радиопередающего устройства может ввести его в состояние насыщения. В данном случае невозможно обеспечить эффективный прием и передачу данных.
Таким образом, необходимо обеспечить надежность приема и передачи данных в условиях наличия внешних источников электромагнитного излучения.
Предлагается решение данной проблемы, представляющее собой разнесение рабочих диапазонов частот приемопередающего тракта системы мониторинга и системы сбора энергии, за счет которого будет обеспечена минимизация их влияния друг на друга.
Для решения указанных проблем необходимо решить следующие задачи по проекту в рамках договора по программе «УМНИК»:
1) Исследование влияния внешнего электромагнитного излучения на качество обмена данными;
2) Исследование параметров системы сбора энергии радиоволн для увеличения длительности автономной работы питаемых устройств;
3) Разработка экспериментального образца блока сбора и передачи данных с датчиков с возможностью подключения системы сбора энергии;
4) Разработка экспериментального образца блока приема и обработки данных;
5) Разработка программного обеспечения мониторинга параметров окружающей среды;
6) Разработка экспериментального образца беспроводной системы мониторинга параметров окружающей среды.
Итоговым результатом должен стать экспериментальный образец беспроводной системы мониторинга параметров окружающей среды с применением системы сбора энергии радиоволн дециметрового диапазона, состоящая из блока сбора данных с датчиков температуры и влажности, блока приема и обработки данных, осуществляющего прием и обработку данных с блока сбора данных и передачу обработанных данных на персональный компьютер, программного обеспечения мониторинга параметров окружающей среды.
3D модель беспроводной системы мониторинга представлена на рис. 1.
Рис. 1. Беспроводная система мониторинга параметров окружающей среды
Беспроводная система мониторинга параметров позволяет осуществлять мониторинг температуры и влажности окружающей среды с последующей передачей полученных данных с датчиков по беспроводному каналу. Возможность подключения системы сбора энергии электромагнитных волн позволяет обеспечить увеличенную длительность автономной работы.
Основные характеристики и параметры разрабатываемого устройства:
1) Первичные преобразователи: температуры и влажности либо комбинированный датчик температуры и влажности.
2) Диапазон измеряемых температур: от минус 40ºС до +50ºС.
3) Погрешность измерений температуры: ±0.3ºС.
4) Диапазон измеряемой относительной влажности: от 0 % до 100 %
5) Погрешность измерений относительной влажности: ±2 %.
6) Наличие специализированного разъема для подключения системы сбора энергии.
7) Рабочая частота передачи данных: 866–868 МГц.
8) Дальность передачи данных: до 50 м.
8) Длительность автономной работы устройства: до 5 лет.
9) Габариты сенсорной части системы: не более 80x80x50 мм
Наиболее близкими аналогами являются беспроводные датчики температуры и влажности ИВТМ-7 М 4–1 компании АО «Эксис» (Россия) и KYMASGARD® RFTF2-FS компании S+S Regeltechnik (Германия).
Аналоги обеспечивают беспроводной мониторинг температуры и влажности с передачей данных на частоте 868 МГц. Диапазон измеряемых температур: ИВТМ-7 М 4–1 — от минус 45ºС до +60ºС, KYMASGARD® RFTF2-FS: от 0ºС до 40ºС. Диапазон измеряемой относительной влажности: ИВТМ-7 М 4–1 — от 0 % до 99 %, KYMASGARD® RFTF2-FS — от 0 % до 100 %. Источник питания: ИВТМ-7 М 4–1 — батарея LIR14500, KYMASGARD® RFTF2-FS –фотовольтаическая панель. Габариты: ИВТМ-7 М 4–1–140x62x31 мм, KYMASGARD® RFTF2-FS — 98x106x32 мм.
При указанной потребляемой мощности ИВТМ-7 М 4–1 требует замены источника питания 1 раз в 3 недели, в связи с чем расходы на замену батарей составляют более 400000 рублей в год (для 100 датчиков). KYMASGARD® RFTF2-FS не может обеспечить автономную работу устройства в отсутствие освещения, опционально приобретаемая батарея обеспечивает длительность автономной работы не более 10 суток. В отличие от аналогов беспроводная система мониторинга должна обеспечить увеличенную длительность автономной работы (до 5 лет) за счет возможности применения системы сбора энергии радиоволн и оптимизации алгоритмов работы устройства, обеспечивающих потребление устройства не более 90 мкВт [2].
Планируемая стоимость беспроводной системы мониторинга должна быть около 8000 рублей. Стоимость аналогов: ИВТМ-7 М 4–1–16300 рублей, KYMASGARD® RFTF2-FSE — 18410 рублей.
Беспроводная система мониторинга параметров окружающей среды с использованием системы сбора энергии радиоволн дециметрового диапазона предназначена для контроля параметров окружающей среды и температурного картирования в сферах, в которых предъявляются жесткие требования к обеспечению температурно-влажностного режима, в частности, фармацевтические и биотехнологические компании.
Литература:
1. N. Garg and R. Garg, «Energy harvesting in IoT devices: A survey», 2017 International Conference on Intelligent Sustainable Systems (ICISS), Palladam, 2017, pp. 127–131, doi: 10.1109/ISS1.2017.8389371.
2. Устройство сбора энергии для беспроводной системы мониторинга параметров окружающей среды / С. Ю. Дудников [и др.]. — Текст: непосредственный // Всероссийская научная конференция по проблемам управления в технических системах. — 2017. — № 1. — С. 343–345.
