Автономный беспроводной газовый датчик
Устройство относится к области контроля параметров газовой среды и предназначено для автоматического контроля концентрации взрыво-, пожаро- и токсично-опасных газов внутри зданий, территории жилых зон, территории промышленных предприятий, горных выработок, газопроводов, а также лесных массивов, свалок отходов, автомобильных дорог и выдачи как индивидуальной сигнализации, так и беспроводной передачи данных для оперативного информирования соответствующих служб при возникновении чрезвычайных ситуаций. Устройство состоит из газовых сенсоров, аналоговой измерительной схемы, микропроцессорного модуля, приемопередатчика и элементов питания и позволяет расширить арсенал технических средств газового мониторинга для случаев отсутствия в зоне мониторинга систем электроснабжения и кабельного телеизмерения. С целью энергосбережения в устройстве реализован периодический режим измерения концентрации газов и передачи данных на диспетчерский пульт. Техническим результатом является повышение надежности работы устройства в составе беспроводных сенсорных сетей и увеличение времени автономной работы, за счет включения в состав беспроводного датчика независимого питания для цифрой и аналоговой измерительной части, а также в возможности полного отключения питания аналоговой измерительной части в «спящем» режиме работы.
Описание полезной модели
Область техники, к которой относится полезная модель
Изобретение относится к области контроля параметров газовой среды и предназначено для автоматического контроля концентрации взрыво-, пожаро- и токсично-опасны газов в атмосфере жилых помещений, внутри и на территории промышленных объектов, а также в атмосфере горных выработок и выдачи как индивидуальной сигнализации при достижении измеряемым компонентом установленных пороговых значений концентраций, так и передачи данных по беспроводной сенсорной сети на диспетчерский пункт контроля (пульт контроля).
В частности, изобретение может найти применение:
- при конструировании и эксплуатации систем автоматического измерения концентрации метана (и др. горючих газов) и газовой защиты газифицированных многоквартирных и индивидуальных домов, горных выработок и угольных шахт;
- в качестве автономных беспроводных предпожарных извещателей для контроля химического состава воздуха (в частности, СО и Н2) с целью предупреждения пожара на ранней стадии, предшествующей возгоранию;
- в качестве автономных измерительных устройств при построении беспроводных сенсорных сетей.
Уровень техники
Известно устройство для автоматического контроля метана и других горючих газов (Патент РФ N2013565 E21F 17/00, опубл. 30.05.1994), содержащее термокаталитические датчики, соединенные по мостовой схеме и подключенные к выходу блока питания, исполнительный блок и блок звуковой сигнализации, блок вычисления мгновенной, интегральной концентрации газа и величины корректировки, блок постоянной памяти, блок энергонезависимой оперативной памяти, блок цифровой индикации, модулятор последовательного интерфейса, блоки оптронной развязки входных и выходных цепей, мультиплексор, блок цифровой обработки, генератор с программируемым делителем частоты, демультиплексор, частотные емкостные фильтры и дроссельные фильтры.
Устройство позволяет проводить измерение концентраций метана с высокой точность и надежностью. Недостатком данного устройства является необходимость сетевого питания и отсутствие беспроводного канала передачи данных измерений.
Известен сигнализатор метана (Патент РФ 
2131601, МПК G01N 27/16, опубл. 10.06.1999), содержащий мостовую измерительную схему, в два плеча которой включены активный термокаталитический и компенсационный элементы датчика метана, усилитель постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь, аккумуляторную батарею и индикатор порогового уровня, дополнительно введены цифроаналоговый преобразователь, аналоговый коммутатор, арифметико-логическое и запоминающее устройства.
Данное устройство имеет автономное питание и систему контроля уровня заряда аккумуляторов. Однако, так как мостовая измерительная схема сигнализатора все время находится под рабочими напряжением, то время автономной работы от аккумуляторов не велико. Кроме того, недостатком данного устройства является отсутствие беспроводного канала для передачи данных на диспетчерский пульт контроля.
Известен переносной шахтный сигнализатор метана для непрерывного автоматического контроля метана в атмосфере (Патент РФ 2029099, МПК E21F 17/18, опубл. 20.02.1995), содержащий датчик метана, соединенный с входом усилителя, выход которого подключен к первому входу блока сигнализации и входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом блока сигнализации и входом цифрового индикатора, блок питания, соединенный через стабилизатор напряжения с датчиком метана, а также пороговый элемент газовой перегрузки с большим гистерезисом, формирователь импульса запуска, реле времени, формирователь импульса сброса, логический элемент 2И-НЕ и аналоговый ключ.
Достоинством устройства является то, что оно имеет защиту от ложных срабатываний, а также автономное питание. Однако время автономной работы от аккумуляторов не велико. Кроме того, недостатком данного устройства является отсутствие беспроводного канала для передачи данных на диспетчерский пульт контроля.
Известно устройство для определения концентрации горючих газов (Патент РФ 91762 МПК G01N 27/04, опубл. 27.02.2010), содержащее в себе узел питания (УП), масштабирующий усилитель (МУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к МУ, средства цифровой обработки сигнала (СЦОС), подключенные к АЦП, средство управления исполнительными органами (СУИО), подключенное к МУ, резистивный делитель напряжения (РДН), одно из плеч которого включает в себя активный чувствительный элемент (ЧЭ), имеющий сопротивление, зависящее от концентрации горючего газа, при этом одна из диагоналей упомянутого РДН подключена к упомянутому МУ, а также генератор стабильного тока (ГСТ), вход которого подключен к упомянутому УП, а выход - к диагонали питания упомянутого РДН, а упомянутое СУИО представляет собой твердотельное реле, имеющее вход для подключения исполнительного органа, вход для подключения источника питания переменного тока и вход управляющего сигнала, подключенный к упомянутым СЦОС.
Данное устройство имеет дополнительное питание в виде аккумулятора, схему контроля его заряда, а также может включать исполнительные элементы в виде управляемого крана, управляемой задвижки, управляемого вентиля, вентилятора, насоса или пневмоклапана. Кроме того, устройство может включать дополнительное абонентское устройство беспроводной телекоммуникационной сети, в том числе GSM модем, модем WiMax или 4G модем.
Недостатком данного устройства является то, что основным его питанием является сеть переменного тока, а время автономной работы устройства с GSM, WiMax или 4G модема будет очень ограниченным из-за достаточно большой мощности, потребляемой этими устройствами. Сделанное заключение справедливо и в отношении исполнительных устройств, которые также требуют большой мощности. Более того, сами аккумуляторы, имеют высокие токи разряда по сравнению с батареями. Это также уменьшает время автономной работы. Кроме того, на основе подобных устройств нельзя формировать беспроводные сенсорные сети, а включение в его состав исполнительных устройств приводит к потере портативности.
Известно устройство для измерения концентрации газа (Патент US 7242309, МПК G08B 17/10, опубл. 07.10.2007), содержащее сенсорный блок, блок управления и коммуникации и блок питания. При этом каждое устройство включает в себя нагреватель для нагрева сенсора, микроконтроллер (для управления режимом включения-выключения нагревателя) и компаратор (для сравнения измеренного значения с пороговым). Отличительной особенность данного устройства является то, что оно поддерживает связь с управляющим сервером по беспроводному каналу, а алгоритм работы устройства предусматривает два режима измерений: с низкой точностью (нагрев выключен) и с высокой точностью (нагрев включен). В исходном состоянии устройство функционирует в режиме измерений с низкой точностью. В том случае, если в результате измерений превышается заданное пороговое значение, устройство посылает сигнал на управляющий сенсор, а само переключается в режим измерений с высокой точностью (который заключается во включении нагревателя и, соответственно, повышении температуры сенсора). Нагрев поддерживается в течении времени, необходимого для проведения измерений. После завершения измерений нагрев выключается.
Достоинством данного устройства является реализация режима энергосбережения, за счет проведения измерений при низкой температуре (режим измерений с низкой точностью) и беспроводная передача данных.
Недостатком данного устройства является то, что даже в режиме энергосбережения оно осуществляет измерения, на который расходуется электрическая мощность. Кроме того, данные устройства могут работать в сенсорной сети только по схеме «звезда». В схеме «звезда» управляющий сервер напрямую собирает данные от измерительных устройств. Вследствие этого измерительные устройства должны быть в прямой видимости сервера. Поэтому, чтобы охватить большую территорию, необходимо увеличивать мощность передатчика, что влечет за собой увеличение потребляемой мощности и, соответственно, уменьшение времени автономной работы. В целом, это ограничивает область применения устройства.
Наиболее близким к описываемому является беспроводной датчик газа с автономным питанием [Патент РФ 95849, G01N 33/00, опубл. 10.07.11], содержащий газовые сенсоры, аналоговую измерительную схему, микропроцессорный модуль, радиопередатчик и элементы питания.
Достоинствами данного устройства является то, что для беспроводной передачи данных используется стандарт IEEE 802.15.4 и протокол высокого сетевого уровня ZigBee, которые отличаются пониженным энергопотреблением. Этот факт, одновременно с оптимизацией алгоритма проведения измерений, обработки и передачи данных, позволяет полностью отказаться от сетевого питания и создать автономные беспроводные датчики газа. Кроме того, в отличие от обычных беспроводных протоколов передачи данных, использование технологии Zigbee позволяет объединять отдельные датчики в сенсорные сети, в которых число датчиков практически неограниченно.
Недостатком данного устройства являются ограничения, связанные с используемым автономным питанием от батарей или аккумуляторов. В указанном прототипе питание всех элементов датчика, в том числе Zigbee модема, микроконтроллера, сенсоров и т.д., осуществляется одним элементом (блоком) питания.
Поэтому в случае разряда батарей или процессе их замены датчик автоматически теряет беспроводное соединение, и, в частности, не может обмениваться данными с контроллером и ретранслировать через себя данные от других устройств. Замена сенсоров, в случае их выхода из строя, также требует выключение питания всего датчика.
Кроме того, для обеспечения точности измерений, напряжение питания сенсоров должно быть стабилизированным. Для этой цели в прототипе используется стабилизатор напряжения, через который питается все устройство. Поскольку ток, требующийся для нагрева сенсоров может превышать 0,4 А, то возникает необходимость использования стабилизатора напряжения соответствующей мощности. Подобные стабилизаторы имеют достаточно высокое собственное потребление, в том числе, и в «спящем» режиме. В частности, указанный в прототипе стабилизатор потребляет 80 мкА в «спящем» режиме, т.е. когда все другие элементы находятся в состоянии минимального электропотребления. Это в десятки раз превышает потребление тока всеми остальными элементами устройства (в частности, Zigbee модемом и микроконтроллером). Таким образом основным потребителем мощности у прототипа становиться стабилизатор напряжения, который невозможно отключить программно или схемотехнически, так как это приведет к выключению всего устройства. Вследствие этого постоянно происходит отбор мощности от элементов питания. Это уменьшает время автономной работы устройства.
Указанные недостатки снижают надежность работы устройства, в том числе, в составе сенсорной сети и ограничивают время автономной работы.
Раскрытие полезной модели
Технической задачей полезной модели является увеличение надежности работы беспроводного автономного датчика, как в составе сенсорной сети, так и в системе датчик - координатор сети, увеличение длительности автономной работы и расширение арсенала технических средств газового мониторинга.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в повышении надежности при работе в составе беспроводных сенсорных сетей и увеличении времени автономной работы устройства, включения в состав беспроводного датчика независимого питания для цифрой и аналоговой измерительной части, а также в возможности полного отключения питания аналоговой измерительной части в «спящем» режиме работы.
Сущность изобретения состоит в том, что газовый датчик содержит газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, приемопередатчик, микропроцессорный модуль для управления режимами работы сенсоров, первичной обработки данных измерений и их хранения, схему питания сенсоров и датчика в целом, автономное питание, при этом цифровая часть устройства, включающая приемопередатчик и микропроцессорный модуль, и аналоговая измерительная часть датчика, включающая сенсоры и стабилизатор, имеют независимое питание, а сама схема питания реализована таким образом, чтобы аналоговая измерительная часть полностью отключалась в режиме ожидания.
Основным потребителем мощности в режиме измерений являются термокаталитические и полупроводниковые газовые сенсоры, требующие нагрева до температуры 400-550°С. Микроконтроллер (микропроцессор) в режиме измерения потребляет ток несколько миллиампер, а в спящем режиме - микроамперы. Приемопередатчик, например, Zigbee модем в режиме приема-передачи может потреблять до 30 мА, но в нормальных условиях он все время находится в спящем режиме (в котором он потребляет <1 мкА). Длительность режима передачи данных составляет доли секунды. В тоже время, для термокаталитических сенсоров в режиме измерений, длительность которого составляет порядка 1 с, требуется ток 50-90 мА, а для полупроводниковых сенсоров - 0,1-0,3 А. Таким образом доля сенсоров в общем энергопотреблении превышает 95% в режиме измерений.
Таким образом имеется необходимость в изменении схемы питания устройства. В частности, обеспечение дополнительного независимого питания для цифровой части устройства (которая является маломощной) позволит устройству выполнять свои функции в сети (т.е. обмениваться данными с контроллером и ретранслировать через себя данные от других устройств) при разряде или замены основных элементов питания, используемых для проведения измерений, а также замене самих сенсоров.
Важно отметить, также, что цифровая часть схемы, которая включает микроконтроллер и приемопередатчик вообще не требует стабилизированного питания. В частности, Zigbee модемы и микроконтроллеры могут работать в широком диапазоне нестабилизированных напряжений питания от ~2 В до ~3.6 В.
Введение независимого питания цифровой части схемы позволяет изменить схемотехническое решение для питания устройства таким образом, чтобы иметь возможность полностью отключать стабилизированное питание аналоговой измерительной части в спящем режиме и тем самым увеличить время автономной работы за счет уменьшения разряда основных элементов питания.
При организации автономного питания газового датчика таким образом, чтобы цифровая часть устройства получала питание от нестабилизированного элемента питания, напряжение которого находиться в диапазоне от 3 до 3.6 В, а аналоговая измерительная часть имеет стабилизированное напряжение питание, которое полностью отключается в спящем режиме, достигается повышение надежности работы устройства и увеличение времени автономной работы.
Кроме того, технический результат достигается за счет способности датчика транслировать через себя посылки, передаваемые на диспетчерский пульт от других датчиков; возможности управления режимами работы датчика с диспетчерского пульта путем передачи команд по радиоканалу; использования автономного питания от аккумуляторов, химических элементов, солнечных батарей, пьезоэлектрических преобразователей, топливных элементов, конденсаторов или их комбинации; использования полупроводниковых, термокаталитических, кондуктометрических, электрохимических, оптических датчиков или их комбинации; использования импульсного (периодического) режима измерения концентрации газов: режим измерения-режим ожидания-режим измерения; использования звуковой и световой сигнализации о превышении установленных заданных концентраций, встроенного вибросигнала, а также возможности отображения данных на дисплее устройства; возможности определения местоположения устройства в известном трехмерном объеме; возможности мониторинга других параметров среды (температуры, влажности, давления и др.); возможности подключения к уже существующим системам безопасности и сбора информации; возможности подавать команды на пульт управления внешними исполнительными устройствами.
Для расширения функциональных возможностей устройства и интегрирования его в охранные системы, системы сбора данных (например, расхода газа, воды, электричества, тепла и др), глобальные информационные и другие сети оно может быть дополнительно оснащено беспроводными GSM/GPRS, Wireless M-Bus, Wi-Fi, Bluetooth и др. приемо-передающими устройствами и устройствами для передачи данных с использованием промышленных проводных протоколов передачи RS 232, RS 485, CAN и др.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Функциональная схема беспроводного автономного датчика.
Осуществление полезной модели
Пример. Беспроводной автономный датчик утечек метана
Устройство предназначено для детектирования метана (СН4) в окружающей атмосфере. Устройство является двухпороговым. Первый порог срабатывания датчика имеет место при превышении концентрации метана 0.25%, об. второй - при превышении концентрации - 2%, об.
Устройство состоит из корпуса (размером 110×110×60 мм), размещенной в нем платы и элементов питания. На плате размещен термокаталитический газовый датчик с аналоговой измерительной схемой, схема питания устройства, микропроцессорный модуль, устройства подачи световой и аудио сигнализации, модуль беспроводной передачи и порты для программирования устройства. Микропроцессорный модуль представляет собой микроконтроллер со схемой его подключения. Модуль беспроводной передачи данных представляет собой модем стандарта ZigBee, использующий частотный канал 2,4 ГГц. Все элементы беспроводного датчика подобраны исходя из возможности обеспечения минимального энергопотребления как в рабочем режиме, так и режиме ожидания (режиме сна). Устройство имеет аппаратно-программный интерфейс для беспроводного обмена данными с диспетчерским пультом.
Функциональная схема беспроводного автономного датчика представлена на Фиг.1.
Основным элементом датчика является микроконтроллер ATxmega32A4 (DD1), который управляет режимом измерений и функционированием всего устройства по заложенному в него алгоритму, в том числе, осуществляет:
- управление режимами функционирования датчика;
- управление режимами нагрева сенсора;
- обработку данных измерений;
- формирование команд для передачи данных по радиоканалу стандарта IEEE 802.15.4;
- тестирование и диагностика работоспособности отдельных узлов:
- определение заряда батареи питания сенсора;
- определение заряда элемента питания цифровой части;
- выявление неисправностей сенсора;
- осуществление самокалибровки сенсора;
- конфигурирование порогов срабатывания датчика;
- обновление встроенного микропрограммного обеспечения посредством беспроводной связи.
В память микроконтроллера может быть заложено одно или несколько пороговых значений для каждого контролируемого газа или соответствующая функциональная зависимость. Основные параметры микроконтроллера приведены в таблице 1.
| Табл.1 | |
| Рабочие характеристики микроконтроллера ATxmega32А4 | |
| Диапазон напряжений питания при fТАКТ<12 МГц: | +1.6 +3.6 В |
| Диапазон напряжений питания при fТАКТ>12 МГц: | +2.7+3.6 В |
| Потребляемый ток в активном режиме: | менее 2 мА |
| Потребляемый ток в режиме ожидания: | менее 1 мкА |
| Объем Flash-ПЗУ: | 32 Кбайт |
| Объем ОЗУ: | 4 Кбайт |
| Объем EEPROM: | 1 Кбайт |
| Разрядность АЦП и ЦАП: | 12 бит |
| Корпус: | TQFP-44 |
| Диапазон рабочих температур: | -40+85°С |
Для беспроводной передачи данных в устройстве установлен модем ISM-диапазона Telegesis ETRX3 (DD2 Фиг.1) спецификации ZigBee стандарта IEEE 802.15.4. Основные параметры модем приведены в таблице 2
| Табл.2 | |
| Рабочие характеристики модема ETRX3 | |
| Диапазон напряжений питания: | +2.1+3.6 В |
| Выходная мощность передатчика: | +3 дБмВт |
| Чувствительность приемника: | -100 дБмВт |
| Частота несущей: | 2.4 ГГц |
| Потребляемый ток в режиме передачи: | не более 31 мА |
| Потребляемый ток в режиме приема: | не более 26 мА |
| Потребляемый ток в режиме ожидания: | менее 1 мкА |
| Габариты корпуса: | 25×19 мм2 |
| Диапазон рабочих температур: | -40+85°С |
Взаимодействие между микроконтроллером и модемом осуществляется с помощью АТ-команд по интерфейсу USART на скорости обмена 19200 бит/с. Данная скорость обмена рекомендована производителем приемопередатчика.
Датчик газа располагает двумя источниками питания:
- Литиевая батарея (G2, Фиг.1) напряжением +3.6 В для обеспечения работы микроконтроллера и модема;
- Три элемента питания (G1, Фиг.1) напряжением +1.5 В для питания сенсора.
Схема питания аналоговой измерительной части построена на базе линейного стабилизатора напряжения ADP161 (ST1, Фиг.1). Основные параметры стабилизатора приведены в таблице 3. Для определения напряжения на батарее G1 и G2 входы АЦП подключены к их положительному полюсу.
| Табл.3 | |
| Рабочие характеристики линейного стабилизатора ADP161 | |
| Диапазон напряжений питания: | (VOUT )+0.5+5.5 В |
| Допустимый максимальный выходной ток: | 150 мА |
| Потребляемый ток при нагрузке 150 мА: | 42 мкА |
| Потребляемый ток без нагрузки: | менее 1 мкА |
| Тип корпуса: | 5-выводной TSOT |
| Диапазон рабочих температур: | -40+125°С |
В датчике установлен термокаталитический газовый сенсор пеллисторного типа (RK1). Сенсор представляет собой платиновую спираль из литого микропровода диаметром 10 мкм в кварцоидной изоляции толщиной 2 мкм. На спираль осажден слой Аl2О с широкоразветвленной поверхностью, на который нанесено каталитически активное вещество - смесь платины (Pt) и палладия (Pd).
Принцип действия сенсора заключается в беспламенном окислении горючего газа, которое сопровождается выделением тепла. Это приводит к повышению температуры спирали и, как следствие, к увеличению ее сопротивления, по изменению которого определяется концентрация детектируемого газа. Для обеспечения реакции окисления через спираль должен протекать ток, разогревающий катализатор до 450°С.
Аналоговая измерительная схема датчика основана на измерительном мосте Уитстона (RK1-RK2-R2-R3, Фиг.1), куда вместе с активным сенсором (RK1) установлен и компенсационный сенсор (RK2). Компенсационный сенсор не имеет катализатора, что позволяет схеме снизить влияние таких факторов окружающей среды, как температура и влажность. Сопротивление же сенсоров при нормальных условиях составляет ~12 Ом.
В другом плече моста установлены прецизионные резисторы R2 и R3 номиналом 1 КОм. Такая конфигурация позволяет измерять выходное напряжение моста, значение которого зависит от концентрации горючего газа.
Оценка температуры нагревателя сенсоров осуществляется косвенно, исходя из значения протекающего через них тока. Для этого в сенсорную схему установлен шунт R1 номиналом 1 Ом. Напряжение на этом резисторе соответствует току через сенсоры.
Измерение всех параметров сенсорной схемы осуществляется с помощью АЦП, функционирующих в дифференциальном режиме с усилением.
Принцип работы беспроводного датчика газа основан на микропрограммном обеспечении, заложенном в микроконтроллере. С целью энергосбережения измерения концентрации газов проводятся в периодическом режиме: режим измерения-спящий режим-режим измерения. Продолжительность режима нагрева сенсора и время измерения составляет порядка 1 с. Продолжительность спящего режима определяется техническими требованиями. Типичными являются значения в интервале от 10 до 60 с. При этом в режиме измерения включены все элементы устройства за исключением ZigBee модема (DD2). В спящем режиме цифровая часть схемы устройства (включающая микроконтроллер и модем) находится в режиме с минимальным энергопотреблением, а аналоговая измерительная часть, включая стабилизатор (ST1, Фиг.1), измерительный мост (RK1-RK2-R2-R3, Фиг.1) и батареи (G1, Фиг.1), полностью отключена. За счет этого происходит экономия заряда батарей G1.
ZigBee модем (DD2) находится в режиме минимального энергопотребления все время за исключением, когда с микроконтроллера (DD1) приходит команда «послать данные» на диспетчерский пульт.
Работа датчика осуществляется по следующему алгоритму.
Сразу же после включения питания микроконтроллер осуществляет самотестирование и диагностику отдельных узлов датчика. После этого производится инициализация беспроводного ZigBee-модема, тем самым датчик подключается к координатору сбора данных. После успешной инициализации модема и оповещения координатора о входе беспроводного датчика в сеть модем переключается в спящий режим.
Далее начинается основная работа датчика. Каждые 60 секунд микроконтроллер включает стабилизатор (ST1, Фиг.1) и задает его выходное напряжение по заданному алгоритму с помощью ЦАП. За счет подачи напряжения на измерительный мост происходит нагрев сенсоров (RK1-RK2) до заданной температуры (значение которой находиться в диапазоне 400-550С°) и последующее измерение выходного напряжения диагонали измерительного моста. Затем полученное значение сравнивается с установленными заранее пороговыми значениями. В случае если превышения концентрации выявлено не было, то все устройство переходит в режим ожидания (общий потребляемый ток всего устройства в указанном режиме не превышает 1.5 мкА). Если же измеренное значение свидетельствует о превышенной концентрации детектируемых газов, то микроконтроллер переводит ZigBee-модем в режим передачи и по беспроводной сети отправляется пакет данных на координатор с целью оповещения его о возникновения чрезвычайной ситуации, которая требует решительных действий (к примеру, экстренного закрытия газового клапана). После получения подтверждения об успешной доставке датчик переходит в спящий режим. При этом в зависимости от заложенного в микроконтроллер алгоритма, время нахождения в спящем режиме может быть уменьшено. Также, при превышении заданных пороговых значений, включается соответствующая световая (HL1, Фиг.1) и звуковая сигнализация (ВА1, Фиг.1).
Также микроконтроллер осуществляет периодическое измерение напряжения на всех элементах питания (G1 и G2). В случае обнаружения их недостаточного заряда датчик высылает на координатор сообщение с предупреждением о необходимости скорой замены соответствующих элементов. Кроме того, для подтверждения исправности беспроводного датчика в алгоритме предусмотрен служебный режим, заключающийся в периодической отсылке команды «я в сети» на координатор вне зависимости от результатов измерений концентрации газа. Период посылки данной команды может варьироваться программно от нескольких минут до нескольких суток в зависимости от технических требований.
Данное устройство имеет двойное автономное питание. Аналоговая измерительная часть устройства питается от трех батарей с суммарным напряжением 4.5 В. Время автономной работы не менее 12 месяцев (при 1 измерении в минуту), что соответствует времени межповерочного (межкалибровочного) интервала. Цифровая часть устройства получает питание от литиевой батареи. При одном измерении в минуту емкости данной батареи (2200 мА·ч) достаточно на более чем на 7 лет автономной работы, что соответствует сроку службы беспроводного датчика. Для увеличения времени автономной работы, беспроводный датчик может быть подключен к альтернативным источникам электрической энергии, например, солнечным батареям.
1. Устройство для измерения состава газовой среды, содержащее газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, приемопередатчик, микропроцессорный модуль для управления режимами работы устройства, схему питания сенсора и устройства в целом, автономное питание, отличающееся тем, что устройство содержит цифровую часть, включающую приемопередатчик и микропроцессорный модуль, а аналоговая измерительная часть включает в себя сенсоры и стабилизатор напряжения, причем обе части имеют независимое питание, а сама схема питания реализована таким образом, чтобы аналоговая измерительная часть полностью отключалась в режиме ожидания.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для передачи данных используется приемопередатчик, поддерживающий стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee).
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для передачи данных используется приемопередатчик, поддерживающий стандарт EN 13757-4 (Wireless M-Bus).
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем имеется возможность интеграции с существующими системами безопасности и сигнализации на основе стандарта для мобильной сотовой связи (GSM), стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi) и систем сбора данных на основе стандарта Wireless M-Bus.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что используются сенсоры, позволяющие детектировать концентрацию метана в воздухе.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемопередатчик и микропроцессорный модуль выполнены в одном корпусе.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цифровая часть устройства, включающая приемопередатчик и микропроцессорный модуль и ее элемент питания размещены в корпусе, механически и электрически отделяемом от корпуса, в котором размещена аналоговая измерительная часть, включающая сенсоры, измерительную схему и ее элемент питания.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство способно транслировать через себя команды, передаваемые на диспетчерский пульт от других устройств.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что питание устройства осуществляется от аккумуляторов, химических элементов, топливных элементов, солнечных батарей, конденсаторов, пьезоэлектрических преобразователей и др. или их комбинации.
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве газовых сенсоров используются полупроводниковые, термокаталитические, кондуктометрические, электрохимические, оптические датчики или их комбинация.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для нагрева сенсоров до рабочей температуры используется постоянное напряжение, формируемое цифроаналоговым преобразователем (ЦАП).
12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для нагрева сенсоров до рабочей температуры используется управляемый делитель опорного (задающего) напряжения.
13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для нагрева сенсоров до рабочей температуры используется широтно-импульсная модуляция.
14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет звуковую и световую сигнализацию о превышении установленных концентраций, вибросигнал, а также возможность отображения данных на дисплее устройства.
15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем с целью энергосбережения реализован периодический режим измерения концентрации газов и передачи данных на диспетчерский пульт (пункт сбора данных).
16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус устройства выполнен во взрывозащищенном исполнении.
17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что имеется возможность определения местоположения устройства в известном трехмерном объеме.
18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аналоговая измерительная часть дополнительно включает сенсоры температуры, влажности, давления.
19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем имеется возможность подавать команды для управления внешними исполнительными устройствами.
20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем имеется дополнительная возможность передавать данные в сети стандарта сотовой связи.
21. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем имеется дополнительная возможность передавать данные в Интернет.
22. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство имеет выходы для его подключения к кабельным сетям промышленных протоколов передачи данных RS 232, RS 485, CAN.
23. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет дополнительную возможность питания или зарядки аккумуляторов от электрической сети.
