Измерительный блок параметров окружающей среды

Заявленная полезная модель относится к устройствам для передачи сигналов с использованием беспроволочной электрической связи и может быть использовано для сбора и обработки данных о физических параметрах окружающей среды. Техническим результатом, который может быть получен в заявленной полезной модели, является создание устройства сбора данных о параметрах окружающей среды, измерители которого могут располагаться в заданных зонах, не мешая при этом оператору выполнять работу. Измерительный блок параметров окружающей среды включающий один из следующих датчиков: датчик давления, датчик температуры, датчик влажности, датчик состава воздуха, датчик освещенности, датчик радиационного излучения, датчик запыленности, микрофон, и соединенный с ним микроконтроллера Arduino, который соединен с модулем Zig-Bee, флеш-картой и вторичной батареей, причем микроконтроллер Arduino, модуль Zig-Bee, флеш-карта и вторичная батарея размещены внутри футляра измерительного блока, а датчик выступает за пределы футляра.

Область применения

Заявленная полезная модель относится к устройствам для передачи сигналов с использованием беспроволочной электрической связи и может быть использовано для сбора и обработки данных о физических параметрах окружающей среды.

Предшествующий уровень техники

Известно устройство для измерения уровней звука, включающее шумомер 1 или 2-го класса точности и соединенный с ним микрофон, установленный рамке на одежде оператора, на плече, на расстоянии 0,1-0,3 м от уха работника и обращенный в направлении взгляда оператора (ГОСТ 12.1.050-86. Методы измерения шума на рабочих местах, утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 28 марта 1986 г. N 790)

Недостатком данного устройства является то, что в нем не предусмотрена возможность измерения других параметров окружающей среды, кроме того, данное устройство трудно перемещать ввиду больших размеров шумомера и, в связи с этим, можно использовать только вблизи рабочею места оператора.

Известна, выбранная в качестве ближайшего аналога беспроводная система сбора данных, содержащая базовую станцию, связанную с персональным компьютером по последовательному или параллельному интерфейсу, мобильные узлы, снабженные датчиками определения параметров окружающей среды и средствами беспроводной передачи данных между мобильными узлами и базовой станцией, при этом система снабжена, по меньшей мере, тремя стационарными узлами, каждый из которых снабжен датчиками определения (измеритель) параметров окружающей среды, управляющим микроконтроллером, связанным с радиочастотным модулем и включающим аналого-цифровой преобразователь непрерывных сигналов вышеупомянутых датчиков, таймеры-счетчики дискретных сигналов вышеупомянутых датчиков, встроенную энергонезависимую память, при этом мобильные узлы выполнены как стационарные и снабжены блоком определения координат своего текущего местоположения, а базовая станция снабжена управляющим микроконтроллером, связанным с радиочастотным модулем связи, при этом корпус мобильного узла снабжен элементами крепления к поверхности и/или одежде публикация RU 117222U1, кл. МПК G08C 17/02. опубл. 20.06.2012 Бюл. 17).

Недостатком известной системы является то, что мобильные узлы могут крепиться к одежде в удобных для пользователя местах, например, на воротниках курток, в карманах, па брючных ремнях и т.д. Однако такое крепление далеко не всегда дает представление о реальных параметрах окружающей среды, особенно в зоне, где осуществляется дыхание человека. Кроме того, в известной системе не предусмотрена возможность контроля уровня шума в зоне расположения органов слуха человека.

Раскрытие полезной модели

Техническим результатом, который может быть получен в заявленной полезной модели, являемся создание измерительного блока параметров окружающей среды, датчик которою можем располагаться в заданных зонах, не мешая при этом оператору выполнять работу.

Технический результат достигается чем, что измерительный блок параметров окружающей среды включает один из следующих датчиков: датчик давления, датчик температуры, датчик влажности, датчик состава воздуха, датчик освещенности, датчик радиационного излучения, датчик запыленности, микрофон, и соединенный с ним микроконтроллера Arduino, который соединен с модулем Zig-Вее, флеш-картой и вторичной батареей, причем микроконтроллер Arduino, модуль Zig-Bee, флеш-карта и вторичная батарея размещены внутри футляра измерительною блока, а датчик выступает за пределы футляра.

А также тем, что с микроконтроллером Arduino соединен GPS-приемник и пли часы реальною времени, расположенные внутри футляра.

А также тем, что футляр снабжен отверстиями или проушинами.

Описание чертежей

Заявленный измерительный блок параметров окружающей среды поясняется при помощи чертежей представленных на фит.1-5.

При этом на фиг 1 показана принципиальная схема устройства сбора данных о параметрах окружающей среды, включающей два измерительных блока параметров окружающей среды.

На фиг.2 показан вариант исполнения первого измерительного блока.

На фиг.3 показан мобильный узел, включающий два измерительных блока параметров окружающей среды.

На фиг.4 покачана изнаночная сторона левой полочки куртки, с размешенными на ней первым и вторым измерительными блоками.

На фиг.5 показан вид на спинку куртки с устройством, аккумулирующим солнечную энергию.

Осуществление полезной модели

Устройство сбора данных о параметрах окружающей среды, в состав которого входит заявленный измерительный блок, содержит, базовую станцию и, по меньшей мере, один мобильный узел, включающий носитель и размещенные на носителе первый измерительный блок и второй измерительный блок.

Базовая станция, представлена на фиг.1 и выполнена в виде базового устройства 13 беспроводного приема и передачи данных соединенного с компьютером 14.

Носитель выполнен в виде куртки 15, являющейся обычной курткой показанной на фиг.3 и 5, состоящей из двух полочек соединенных со спинкой с образованием двух пройм, в которые вшиты рукава.

Первый измерительный блок выполнен в виде размещенных на первом корпусе 1 измерителя 2 параметров окружающей среды, соединенного с ним первого микроконтроллера 3, который соединен с первым устройством 4 беспроводного приема и передачи данных, первой энергонезависимой памятью 5 и первым источником питания 6.

Второй измерительный блок выполнен в виде размешенных на втором корпусе 7 микрофона 8, соединенного с ним второго микроконтроллера 9, который соединен со вторым устройством 10 беспроводного приема и передачи данных, второй энергонезависимой памятью 11 и вторым источником питания 12.

Измеритель 2 параметров окружающей среды включает один из следующих датчиков: датчик давления, датчик температуры, датчик влажности, датчик состава воздуха, датчик освещенности, датчик радиационного излучения, датчик запыленности. Кроме того, измеритель 2 параметров окружающей среды может дополнительно включать» CPS-приемник и/или часы реального времени.

Выбор датчиков зависит от необходимости контроля того или иного параметра окружающей среды и динамики изменения указанного параметра в пространстве с учетом реального времени. Следует помнить, что GPS-приемник и часы реального времени могут не быть использованы в составе измерителя 2. Это может быть связано с тем, что реальное время может фиксироваться компьютером 14 и посредством базового устройства 13 беспроводного приема и передачи данных передаваться на первый микроконтроллер 3 и второй микроконтроллер 9 через первое устройство 4 беспроводного приема и передачи данных и через второе устройство 10 беспроводного приема и передачи данных. А положение мобильною узла может быть определено с учетом времени прохождения сигнала от первого устройства 4 беспроводного приема и передачи данных или от второго устройства 10 беспроводного приема и передачи данных до базового устройства 13 беспроводного приема и передачи данных.

Те параметры, которые измеряют указанные датчики, влияют на уровень работоспособности оператора и на его физическое состояние. Кроме того, датчик состава воздуха и датчик радиационного излучения измеряют те параметры окружающей среды, которые в отдельных случаях могут представлять угрозу для жизни оператора.

Первый микроконтроллер 3 и второй микроконтроллер 9 могут быть выполнены, например, в виде микропроцессоров Arduino Uno, Arduino Nano или Arduino LilyPad, а также других микроконтроллеров, аналогичных перечисленным.

Первое устройство 4 беспроводною приема и передачи данных, второе устройство 10 беспроводного приема и передачи данных и базовое устройство 14 беспроводного приема и передачи данных могут быть выполнены в виде модулей Zig-Bee или радиомодемов. Кроме того, первое устройство 4 беспроводного приема и передачи данных, второе устройство 10 беспроводного приема и передачи данных и базовое устройство 14 беспроводного приема и передачи данных выполнены с возможностью взаимодействия между собой по беспроводному каналу связи, например, радиоканалу.

Первая энергонезависимая память 5 и вторая энергонезависимая намять 11 выполнены в виде флеш-карты, USB-флеш-накопителя, памяти EEPROM. Предпочтительно что бы указанные память 5 и память 11 являлись съемными.

Первый источник 6 питания и второй источник 12 питания могут быть выполнены в виде первичных батарей или в виде вторичных батарей. В случае если первый и второй источники 6 и 12 питания выполнены в виде вторичных батарей и человек, на которою надета куртка 15 находится в месте с достаточной освещенностью, они (источники питания 6 и 12) могут быть соединены с устройством 25, аккумулирующим солнечную энергию, размещенным на внешней поверхности спинки 24 куртки 15. В этом случае первый и второй источники 6 и 12 питания могут заряжаться от устройства 25, аккумулирующим солнечную энергию, при достаточной освещенности.

Первый корпус 1 и второй корпус 7 могут быть выполнены в виде диэлектрической пластин.

В другом варианте исполнения первый корпус 1 может быть выполнен в виде футляра, внутри которою размешены первый микроконтроллер 3, первое устройство 4 беспроводною приема и передачи данных и первый источник 6 питания, первая энергонезависимая память 5, а измеритель 2 параметров окружающей среды выступает за пределы футляра как покачано на фиг.2. Второй корпус 7 аналогично первому корпусу 1 может быть выполнен и виде футляра. При этом внутри этого футляра размещены второй микроконтроллер 9, второе устройство 10 беспроводного приема и передачи данных, вторая энергонезависимая память 11 и второй источник 12 питания, а микрофон 8 выступает за пределы футляра.

Первый корпус 1 и второй корпус 7 закреплены с возможностью съема на изнаночной стропе левой полочки 16 куртки 15. Причем они (корпуса 1 и 7) закреплены таким образом, что измеритель 2 параметров окружающей среды расположен в нервом отверстии 17, выполненном в указанной полочке 16, а микрофон 8 расположен во втором отверстии 18, выполненном в указанной полочке 16. Для такого крепления первый корпус 1 и второй корпус 7 снабжены отверстиями 21 или проушинами 22, в которых установлены шплинты 23, проходящие сквозь левую полочку 16 куртки 15. Корпуса 1 и 7 могут быть закреплены на левой полочке 16 также при помощи нитей, однако такой способ крепления более сложен и трудоемок, чем крепление посредством шплинтов 23.

Расположение первого и второго измерительных блоков на изнаночной стороне указанной полочки обеспечивает защиту этих блоков от влияния различных факторов окружающей среды, способных повредить их составные. К такими факторами, например, относятся прямые солнечные лучи, дождевые капли и т.д. Кроме того, материал куртки 15 защищает первый и второй измерительные блоки от механических повреждений, таких как удары, царапины и др.

Левая полочка 16 выбрана здесь в связи с тем, что большинство операторов являются правшами и основные функции выполняют правой рукой. При ном рука, задействованная при выполнении различных операцией, может перекрывать рабочие зоны измерителя 2 параметров окружающей среды и микрофона 8, поэтому расположение первого и второго измерительных блоков на левой полочке 16 наиболее предпочтительно, чем их расположение па правой полочке.

В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» отбор проб должен проводится в зоне дыхания, а под «зоной дыхания» в том же стандарте понимается пространство в радиусе 50 см от лица работающего.

Это требование главным образом относится к датчику состава воздуха, датчику освещенности, датчику радиационного излучения. Но это требование относится и к датчику давления, датчику температуры, датчику влажности, так как эти параметры главным образом влияют на органы дыхания и контроль этих параметров следует производить именно в зоне дыхания. Датчик освещенности также следует располагать в зоне дыхания так как зона обзора совпадает с зоной дыхания.

Расстояние L2 от проймы 20 до центра первого отверстия 17 выбрано таким, что бы центр первого отверстия 17 был расположен как можно ближе к борту левой полочки, для того, что бы при любом повороте головы оператора, измеритель 2 параметров окружающей среды всегда находился в зоне дыхания, то есть в радиусе 50 см от лица оператора.

Расстояние h1 от плечевого шва 19 до центра первого отверстия 17 должно быть таким, что бы соблюдалось требование ГОСТ 12.1.005-88, касающееся расположения измерителя 2 параметров окружающей среды на расстоянии не более 50 см от лица оператора. При этом следует понимать, что при наклоне туловища вперед происходит сгибание туловища в подреберной области, граница которой проходит вдоль реберной дуги. Если измеритель 2 параметров окружающей среды попадает на линию сгиба или в прилегающие к линии сгиба области, ширина которых может составлять до 3 см с каждой стороны линии сгиба, то информация о параметрах окружающей среды будет искажаться, вплоть до фиксирования недопустимых значений. Кроме того, при указанном расположении измерителя 2 параметров окружающей среды может произойти нарушение целостности корпуса 1 и элементов, размещенных на нем, что приведет к выходу из строя первого измерительного блока и может привести к травматизму оператора. Следовательно, выполнение первого отверстия 17 на возможной линии сгиба или в прилегающих к линии сгиба областях недопустимо.

Как было отмечено выше, возможная линия сгиба проходит вдоль реберной дуги. Расстояние от плечевого шва 19 куртки 15 до указанной реберной дуги, при надетой на тело оператора указанной куртке 15, приблизительно равно 1,75 длины L1 плечевого шва 19.

Кроме того, следует понимать, что во время работы устройства сбора данных о параметрах окружающей среды, первый измерительный блок и второй измерительный блок создают взаимные электромагнитные наводки, которые негативно отражаются на работе указанных блоков. Например, может происходить искажение входных сигналов от измерителя 2 параметров окружающей среды и микрофона 8. Следовательно, первое отверстие 17 необходимо выполнять на наиболее возможно удаленном расстоянии от второго отверстия 18, которое в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.050-86 должно быть расположено на плече куртки 15. Это означает, что центр первою отверстия 17 должен быть расположен на расстоянии от плечевого шва 19 равном 1,75 длины L1 плечевого шва 19 за вычетом ширины области, прилегающей к линии сгиба, и радиуса первого отверстия 17. Длина плечевого шва у курток операторов составляет от 0,12 до 0,2 м, в зависимости от размера самой куртки, наибольшая ширина области, прилегающей к линии сгиба, составляет 0,03 м, а радиус первого отверстия 17 составляет от 0,01 до 0,05 м в зависимости от типа измерителя 2 параметров окружающей среды.

Таким образом, центр первого отверстия 17, выполненного в левой полочке 16, расположен на расстоянии L2 от проймы 20, составляющем 1,08-1,35 длины L1 плечевого шва 19, и на расстоянии h1 от плечевого шва 19, составляющем 0,5-0,6 длины L1 плечевого шва 19.

Для обеспечения требований ГОСТ 12.1.050-86, где говорится о том, что микрофон должен быть размещен на плече оператора, на расстоянии 0,1-0,3 м от уха оператора, и ориентирован в направлении взгляда оператора, центр второго отверстия 18, выполненого в левой полочке 16, расположен на расстоянии L3 от проймы 20, составляющем 0,5-0,6 длины L1 плечевого шва 19, и на расстоянии h2 от плечевого шва 19, составляющем 0,1-0,2 длины L1 плечевого шва.

Как было отмечено выше, длина плечевого шва у курток операторов составляет от 0,12 до 0,2 м, в зависимости от размера самой куртки, а расстояние от плеча до слухового прохода взрослого человека составляет от 0,1 до 0,18 м. Поэтому размещение микрофона 8 на расстоянии L3 от проймы 20, составляющем 0,5-0,6 длины L1 плечевого шва 19, удовлетворяет требованию ГОСТ 12.1.050-86 о размещении микрофона 8 на расстоянии 0,1-0,3 м от уха оператора для всего диапазона размеров курток и расстояний от плеча до ушного прохода.

Также и размещение микрофона 8 на расстоянии h2 от плечевого шва 19, составляющем 0,1-0,2 длины L1 плечевого шва, вызвано требованием ГОСТ 12.1.050-86 о размещении микрофона 8 на плече оператора и о его ориентации в направлении взгляда оператора. Выполнение второго отверстия 18 на расстоянии h2 от плечевою шва 19, позволяет выполнять второе отверстие 18, ориентированным вперед, а, следовательно, и размещенный в указанном отверстии 18 микрофон 8 будет ориентирован вперед, в направлении взгляда оператора.

Заявленный измерительный блок параметров окружающей среды работает следующим образом.

Работа измерительного блока параметров окружающей среды представлена в данном описании в составе устройства сбора данных о параметрах окружающей среды.

Перед началом работы от компьютера 14 через базовое устройство 13 беспроводною приема и передачи данных на первое и второе устройства 4 и 10 беспроводного приема и передачи данных направляется команда на начало работы первого и второго измерительных блоков. При этом компьютер 14 задает режим работы и режим передачи данных о параметрах окружающей среды и уровне шума. Режим работы может быть постоянным, когда измеритель 2 параметров окружающей среды и микрофон 8 постоянно регистрируют параметры окружающей среды и уровень шума, и дискретным, когда измеритель 2 параметров окружающей среды и микрофон 8 регистрируют параметры окружающей среды и уровень шума один раз в заданный период времени. Также и режим передачи данных о параметрах окружающей среды и уровне шума может быть постоянным, когда указанные данные передаются на компьютер 14 постоянно, и дискретным, когда указанные данные передаются на компьютер 14 один раз в заданный период времени. Во время работы устройства сбора данных о параметрах окружающей среды компьютер 14 может передавать команду на первый и второй измерительные блоки о изменении режимов работы. Следует отметить, что упомянутые дискретные режимы работы являются энергосберегающими режимами, позволяющими экономить энергию первого и второго источников 6 и 12 питания.

Первое и второе устройства 4 и 10 беспроводного приема и передачи данных, получив команду на начало работы первого и второго измерительных блоков и команду на включение в заданном режиме работы, передают указанные команды на первый и второй микроконтроллеры 3 и 9.

Микроконтроллеры 3 и 9 в заданном режиме работы подают электропитание на первое и второе устройства 4 и 10 беспроводного приема и передачи данных, измеритель 2 параметров окружающей среды и микрофон 8.

Во время работы оператора, на котором надета куртка 15 с первым и вторым измерительными блоками, измеритель 2 параметров окружающем среды и микрофон 8 соответственно регистрируют текущие значения параметров окружающей среды и уровня шума в заданном режиме работы. Текущие значения параметров окружающей среды от измерителя 2 параметров окружающей среды в виде аналоговых сигналов поступают на первый микроконтроллер 3, а текущие значения шума от микрофона 8 в виде аналоговых сигналов поступают на второй микроконтроллер 9.

Микроконтроллеры 3 и 9 преобразуют поступающие аналоговые сигналы в цифровые, и дают команду соответственно первой энергонезависимой намят 5 и второй энергонезависимой памяти 11 на запись цифровых сигналов. При этом первая энергонезависимая память 5 вместе с цифровыми сигналами, содержащими данные о параметрах окружающей среды, записывает информацию о времени принятия аналоговых сигналов и о местоположении оператора, на котором надета куртка 15.

Информация о времени принятия аналоговых сигналов может быть получена от часов реальною времени, входящих в состав измерителя 2 параметров окружающей среды, либо (в том случае, если измеритель 2 параметров окружающей среды не содержит часов реального времени) получена от компьютера 14, передающего указанную информацию через базовое устройство 13 беспроводного приема и передачи данных на первое устройство 4 беспроводного приема и передачи данных, которое, в свою очередь, передает указанную информацию на первый микроконтроллер 3.

Информация о местоположении оператора может быть получена от GPS-приемника, входящего в состав измерителя 2 параметров окружающей среды, В том случае, если измеритель 2 параметров окружающей среды не содержит GPS-приемника, местоположение оператора может быть определено первым микроконтроллером 3 по времени прохождения сигнала с известной скоростью от базового устройства 13 беспроводного приема и передачи данных до первого устройства 4 беспроводного приема и передачи данных и, по меньшей мере, от одного дополнительного стационарного устройства беспроводного приема и передачи данных (на фиг.1-5 не показано) до первого устройства 4 беспроводного приема и передачи данных. Имея информации) о скорости и времени прохождения сигнала, первый микроконтроллер, вычисляет расстояние от базового устройства 13 беспроводного приема и передачи данных до первого устройства 4 беспроводного приема и передачи данных и расстояние от дополнительного стационарного устройства беспроводного приема и передачи данных до первого устройства 4 беспроводного приема и передачи данных. На основании вычисленных расстояний, первый микроконтроллер 3 определят местоположение оператора.

Кроме того, микроконтроллеры 3 и 9, в зависимости от заданного режима работы, постоянно или периодически передают упомянутые выше цифровые сигналы на первое и втрое устройства 4 и 10 беспроводного приема и передачи данных, которые передают эти сигналы на базовое устройство 13 беспроводного приема и передачи данных. Затем базовое устройство 13 беспроводного приема и передачи данных передает указанные сигналы на компьютер 14. При периодичной передаче данных на компьютер 14 используют пакеты данных, записных в первой и второй энергонезависимых памятях 5 и 11, которые периодически посредством первою и второго устройства 4 и 10 беспроводного приема и передачи данных передают указанные пакеты на базовое устройство 13 беспроводного приема и передачи данных и далее на компьютер 14.

Оператор во время работы может совершать любые движения телом, в том числе наклоняться вперед. При этом будет происходить сгибание туловища в подреберной области, граница которой проходит вдоль реберной дуги. При этом первый корпус 1 и измеритель 2 параметров окружающей среды находятся вне зоны сгиба и не подвержены механическим воздействиям тела оператора. Кроме того, рабочая зона измерителя 2 параметров окружающей среды не перекрывается телом оператора. Таким образом заявленное устройство сбора данных о параметрах окружающей среды полностью удовлетворяет требовниям ГОСТ 12.1.005-88.

Также во время работы устройства сбора данных о параметрах окружающей среды, оператор может совершать повороты головы в любом направлении и на любой угол в пределах 180°, а также наклонять голову в любом необходимом направлении. Жесткое крепление второго корпуса 7 на изнаночной стороне левой полочки 16 куртки 15 надежно фиксирует микрофон 8 во втором отверстии 18 и не позволяет ему смещаться. При этом расстояние от левого уха оператора до микрофона 8 не будет превышать 0,3 м, что соответствует требованиям ГОСТ 12.1.050-86.

Таким образом, за счет того что микроконтроллер Arduino, модуль Zig-Вее, флеш-карта и вторичная батарея размешены внутри футляра измерительного блока, а датчик выступает за пределы футляра, заявленный измерительный блок параметров окружающей среды может располагаться в заданных зонах, не мешая при этом оператору выполнять, работу.

1. Измерительный блок параметров окружающей среды, включающий один из следующих датчиков: датчик давления, датчик температуры, датчик влажности, датчик состава воздуха, датчик освещенности, датчик радиационного излучения, датчик запыленности; микрофон и соединенный с ним микроконтроллер Arduino, который соединен с модулем Zig-Bee, флеш-картой и вторичной батареей, причем микроконтроллер Arduino, модуль Zig-Bee, флеш-карта и вторичная батарея размещены внутри футляра измерительного блока, а датчик выступает за пределы футляра.

2. Измерительный блок по п.1, отличающийся тем, что с микроконтроллером Arduino соединен GPS-приемник и/или часы реального времени, расположенные внутри футляра.

3. Измерительный блок по п.1, отличающийся тем, что футляр снабжен отверстиями или проушинами.

РИСУНКИ