Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF WIRELESS SENSOR NETWORK FOR GAS MONITORING

Research article
Cu Thanh Phong
DOI:
https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.48.171
Issue: № 6 (48), 2016
Published:
2016/06/17
PDF

Тхань Фонг Ку

Аспирант, Московский авиационный институт

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА УГАРНОГО ГАЗА

Аннотация

В статье представлены конструктивно-технологические принципы создания беспроводной сенсорной сети для непрерывного мониторинга концентрации токсичных газов в воздухе промышленных предприятий и жилых зонах, в частности, угарного газа. Кроме того, беспроводная сенсорная сеть обеспечивает передачу получаемых данных по радиоканалу, включая выход на телефонные сети стандарта GSM и Ethernet, и управление беспроводными исполнительными устройствами. В процессе работы были разработаны автономные беспроводные газовые датчики для мониторинга концентрации СО в воздухе и описан  прототип беспроводной сенсорной сети для мониторинга токсичных газов с использование  стандарта передачи данных Zigbee.

Ключевые слова: Автономный беспроводной датчик, угарный газ, концентрация СО, беспроводной координатор, беспроводная сенсорная сеть.

Cu Thanh Phong

Postgraduate student, Moscow Aviation Institute

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF WIRELESS SENSOR NETWORK FOR GAS MONITORING

Abstract

This paper presents the design and technological principles of a wireless sensor network (WSN) for continuous monitoring of the concentration of toxic gases, particularly carbon monoxide in the atmosphere of industrial sites and residential areas. Additionally, the wireless sensor network transmits the received data through radio channel, having access to GSM and Ethernet telephone networks, and controls the wireless actuators. Autonomous wireless gas sensors for CO monitoring were developed during our work on this paper and the prototype of the wireless sensor network for toxic gas monitoring using Zigbee as its data transmission standard is detailed.

Keywords: Autonomous wireless gas sensor node, carbon monoxide, concentration CO, wireless coordinator, wireless sensor networks. Введение.

Беспроводная сенсорная сеть (БСС) – это беспроводная система, представляющая собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказам отдельных элементов сеть миниатюрных вычислительных устройств с автономным источником питания [1, 2]. В качестве объекта мониторинга наиболее часто выступаю следующие параметры: температура [3], влажность [4], освещенность [5] и газовый состав [6].

Основной задачей в технологии беспроводных сенсорных сетей является разработка БСС с энергонезависимыми сенсорными модулями, которые имели бы исключительно автономное питание. Более подробный анализ проблемы энергонезависимого питания представлен в работе [7].

С точки зрения потребляемой мощности, наиболее сложным случаем являются БСС для газового мониторинга. При этом при организации газового мониторинга токсичных газов могут использоваться каталитические [8], оптические [9], полупроводниковые [10] и электрохимические сенсоры [11]. Из всего многообразия газовых сенсоров, электрохимические сенсоры выделяются тем, что практически не потребляют электрическую энергию. Это открывает возможность их широкого применения в беспроводных сенсорных сетях для экологического мониторинга состава воздуха [12]. При этом беспроводные сенсорные сети могут быть развернуты в местах, где нет доступа к электрическим сетям и поэтому необходимо обеспечить продолжительную работу беспроводных газовых датчиком за счет автономного питания.

В данной статье представлена беспроводная сенсорная сеть, предназначенная для автоматического контроля концентрации СО в атмосфере производственных помещений, внутри и на территории промышленных объектов, охраняемых территорий, а также для выдачи как индивидуальной сигнализации, так и отправку уведомления ответственному лицу [13, 14, 15].

1 Описание беспроводной сенсорной сети

Схема беспроводной сенсорной сети, развернутой для контроля концентрации СО в производством помещений, представлена на рисунке 1.

Беспроводная сенсорная сеть включает на себе:

- беспроводные сенсорные узлы (БСУ) с автономным питанием (Д) [12];

- беспроводные маршрутизаторы (М);

- беспроводной координатор сети (К);

- беспроводные исполнительные устройства (И).

- тревоги устройства 1, 2 и 3 (в том числе, 1 является аварийно-спасательная служба; 2- ответственные лица; 3- собственники помещений)

Беспроводные маршрутизаторы сети играют роль ретрансляторов сигналов от беспроводных сенсорных узлов с автономным питанием к беспроводному координатору сети (и обратно). Поэтому беспроводные маршрутизаторы сети все время находятся в режиме ожидания приема радиосигнала.  Это позволяет принимать данные от связанных с ним беспроводных газовых датчиков в любое время и, тем самым, позволяет находиться самим беспроводным сенсорным узлам в спящем режиме, в котором приемопередатчик практически не потребляет энергию.  Обмен данными между беспроводными маршрутизаторами и беспроводными сенсорными узлами происходит в момент тревоги или во время служебного режима обмена данными [16].

Для передачи данных все устройства беспроводной сенсорной сети оснащены приемопередатчиками (Zigbee модемами), работающими на частоте 2.4 ГГц [17].

15-06-2016 15-20-21

Рис. 1- Блок схемы беспроводной сенсорной сети, где Д является узлом датчика, К является координатором сети, И представляет собой беспроводное исполнительное устройство, М является беспроводным маршрутизатором радиосигналов, 1, 2 и 3 являются тревогами устройств

2 Алгоритм работы беспроводного сенсорного сети

Беспроводные сенсорные узла функционируют в 2-х пороговом режиме измерений. Первый порог срабатывания (предупреждение) находиться в значении концентрации СО 5 мг/м3, второй порог (тревога) – 20 мг/м3. Калибровка датчика выполняется в диапазоне от 5- 20 мг/м3 концентрации СО в зависимости от условий эксплуатации, но не реже одного раза в год [12]. На рисунке 2 представлена зависимость тока сенсорного выхода от концентрации СО.

15-06-2016 15-21-37

 

Рис. 2 - Зависимость тока от концентрации СО

2.1 Работа беспроводной сенсорной сети в штатной ситуации осуществляется по следующему алгоритму

Беспроводные сенсорные узлы проводят измерения концентрации CO (Д на рис. 1). C целью энергосбережения измерения концентрации газов проводятся в периодическом режиме: режим измерения- спящий режим - режим измерения. Продолжительность режима измерения составляет порядка 1 с. Продолжительность спящего режима в интервале от 10 до 60 с. При этом в режиме измерения функционируют все элементы датчика за исключением ZigBee модема, который находится в спящем режиме. Если концентрация СО меньше 5 мг/м3 микроконтроллер переводит датчик в режим энергосбережения (спящий режим), передача данных на координатор сети (К на рис. 1) не осуществляется.

2.2 Работа беспроводной сенсорной сети в нештатной ситуации осуществляется по следующему алгоритму

Если измеренное беспроводным датчиком значение концентрации СО находиться в диапазоне 5 мг/м3 – 20 мг/м3, то микроконтроллер БСУ переводит ZigBee-модем в режим передачи, формирует и отправляется пакет данных на маршрутизатор (М, на рис. 1), который, в свою очередь, направляет данные дальше на координатор сети. Кроме того, включается соответствующая световая и звуковая сигнализация самого БСУ.  После получения подтверждения об успешной доставке модем БСУ переходит в спящий режим.

Если измеренное беспроводным датчиком, например Д1, значение концентрации СО выше 20 мг/м3, то микроконтроллер БСУ переводит ZigBee-модем в режим передачи и по беспроводной сети отправляет команду исполнительному устройству, связанному с ним (И1) и, получив подтверждение об исполнении, формирует и отправляет пакет данных на маршрутизатор (М1, на рис. 1), который, в свою очередь, направляет данные дальше, на координатор сети. Передаваемые данные в обязательном порядке включают информацию, позволяющую идентифицировать датчик, с которого они отправлены. Кроме того, включается соответствующая световая и звуковая сигнализация самого беспроводного газового датчика. Аналогичным образом и маршрутизатор после получения данных от беспроводного датчика, например Д1, отдает команду исполнительному устройству, связанному с ним (И1), и получив, подтверждение об исполнении, отправляет пакет данных на координатор сети.

Координатор сети, после получения данных о превышении концентрации газа в одном или нескольких помещениях и данные об уже выполненных действиях  от исполнительных устройств, отдает команду связанным с ним исполнительным устройствам (И3) и (И4) [если таковые имеются] и, получив подтверждение об исполнении команд, формирует и посылает пакет данных в соответствующую аварийно-спасательную службу (1 на рис. 1) (в частности, для вывода информации на пульт автоматизированного рабочего места), ответственным лицам (2, рис. 1), а также собственникам помещений (3, рис.1). Кроме того, полученные данные сохраняются во встроенной или внешней памяти.

3 Время отклика на измерение газового состава

Одним из наиболее важных параметров для системы, которая контролирует концентрации СО является временем, необходимое для своей реакции при резком изменении концентрации СО в окружающей среде.

Для некоторых устройств, на этот раз предписано имеющимися стандартами для показателей газа. В случае распределенной беспроводной системы, то этот параметр, очевидно, следует оценивать для системы в целом. Для газовых тревог системы, которые сочетают в себе световую и звуковую сигнализацию с возможностью активировать отключающим устройством (в нашем случае это беспроводной привод) задержка срабатывания сигнала тревоги до 120 секунд допускается [18].

Время отклика системы, обозначаемой tО, зависит от времени измерения (tИ) и время, необходимое для передачи данных по беспроводному каналу (tП)

tО= tИ + tП

В то же время, мы можем изменить время отклика узла датчика путем изменения интервала измерений с целью минимизированного энергопотребления.

Время передачи данных по беспроводной сети зависит как от времени для услуги сети (tУ), время для общения через один беспроводный маршрутизатор (tМ), а общее число беспроводных маршрутизаторов, необходимых для передачи данных к координатору. Следует отметить, что й также включает в себя время для сохранения данных в памяти, прежде чем он будет передаваться на следующий беспроводный маршрутизатор. Для того чтобы получить максимально объективные данные, и оценить наихудший сценарий, время отклика узла датчика следует измерять на максимально возможное количество беспроводных маршрутизаторов, которые, для модуля TG-ETRX3, равна 30 [19]:

tП = tУ + 30 tМ

В результате время передачи данных (вместе с подтвердить прием) по беспроводной сети составляет около 347 мс (определено эмпирически). Как будет показано ниже, время передачи данных значительно ниже, чем во время измерения и интервал между измерениями, так что если передача влияние потери пакетов, что требует повторной передачи, общее время не будет в значительной степени зависеть. Поскольку компонент передачи данных tП мала по сравнению с требованиями к общему времени отклика, на практике время отклика tО доминирует времени измерения tИ, которые мы можем регулировать цикл измерения путем размена времени отклика и потреблении энергии.

Беспроводная сенсорная сеть СО использует технологию передачи данных ZigBee. Для оценки беспроводных линий связи используем показатель уровня принимаемого сигнала (RSSI) и индикатор качества сигнала (LQI). Показатель уровня принимаемого сигнала, RSSI (англ. received signal strength indicator) - полная мощность принимаемого приёмником сигнала. Измеряется приёмником по логарифмической шкале в дБм. Индикатор качества сигнала LQI является метрикой текущего качества принимаемого сигнала. LQI показывает способность сигнала, который должен быть демодулированным в масштабе 0-255. Далее, мы оценили производительность доставки пакетов от датчика узла для координатора сети. Узел послал около 10,000 пакетов данных с 20 с временным интервалом между представлений. Рис. 3 а и б сюжет скорость доставки пакетов (PDR) значения по отношению к RSSI и LQI. Хорошая связь (PDR > 80%) может быть достигнуто, когда RSSI выше -79,3 дБм, а LQI превышает 180,4. Стоит отметить, что, когда LQI составляет около 210, PDR достигает почти 100% скорости.

15-06-2016 15-23-55

Рис.  3 - Соотношение между (а) RSSI и средней PDR; (Б) LQI и средней PDR

Выводы. 

В статье была разработана беспроводная сенсорная сеть для мониторинга концентрации СО и ее технические характеры. Заметили, что для автоматического контроля концентрации СО в БСС используется беспроводными газовыми датчиками, который имеет исключительно автономное (батарейное) питание и может работать в составе беспроводных сенсорных сетей без замены источника питания в течение всего срока службы сенсора -7 лет.

Для передачи данных в беспроводных сенсорных сетях разработан стандарт IEEE 802.15.4 и протокол высокого сетевого уровня ZigBee. Его программно-аппаратный интерфейс, в отличие от обычных радиоканалов, позволяет создавать сенсорные сети из практически неограниченного числа устройств. Экспериментальные результаты показывают, что безопасная передача данных может быть реализовано до 100 м в прямой линии сайта уличных условиях.

В дальнейшем планируется рассмотреть возможность использования энергии возобновляемых источников для питания функциональных устройств БСС [20].

Литература

  1. Сергей Баскаков, Владимир Оганов. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы MeshLogicTM. Электронные компоненты, №8: 65-69, 2006.
  2. Л. С. Восков. Беспроводные сенсорные сети и прикладные проекты. Автоматизация и IT в энергетике, №2-3: 44-48, 2009.
  3. А. Г. Финогеев, В. Б. Дильман, В. А. Маслов, А. А. Финогеев. Оперативный дистанционный мониторинг в системе городского теплоснабжения на основе беспроводных сенсорных сетей. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки, №3: 27-36, 2010.
  4. Горлов М. И. Микроэлектронный датчик влажности поверхностно-конденсационного типа. Патент РФ 2224246. Опубл. 20.02.2004. Бюл. №5.
  5. Е. В.Барбасова, Т. А. Vstavskaya. Построение систем управления сложными комплексами наружного освещения. Весник ЮУрГУ, №23: 98-101, 2011.
  6. Somov, A. Baranov, A. Savkin, D. Spirjakin, A. Spirjakin, and R. Passerone. Development of wireless sensor network for combustible gas monitoring. Sensors and Actuators, A: Physical 171(2): 398-405, 2011.
  7. Alexander Baranov, Denis Spirjakin, Saba Akbari, Andrey Somov. Optimization of power consumption for gas sensor nodes: A survey. Sensors and Actuators, A: Physical 233:279-289,2015.
  8. Andrey Somov, Alexander Baranov, Alexey Suchkov, Alexey Karelin, Sergey Mironov,   Elena Karpova. Improving interoperability of catalytic sensors. Sensors and Actuators B: Chemical 221: 1156–1161, 2015.
  9. Makeenkov, I. Lapitskiy, A. Somov, A. Baranov, Flammable gases and vapors of flammable liquids: Monitoring with infrared sensor node, Sensors and Actuators B: Chemical. 209: 1102–1107, 2015.
  10. N. Samotaev, A.A. Vasiliev, B.I. Podlepetsky, A.V. Sokolov, A.V. Pisliakov. The mechanism of the formation of selective response of semiconductor gas sensor in mixture of CH4/H2/CO with air. Sensors and Actuators B: Chemical. 127: 242–247, 2007.
  11. Т. Ф. Ку. Автономное беспроводное устройство для мониторинга концентрации СО. Датчики и Системы  № 6: 42-46
  12. Hayes, S. Beirne, K.-T. Lau, D. Diamond, Evaluation of a low cost wireless chemical sensor network for environmental monitoring, in: Proceeding of the IEEE Sensors 2008, October 26-29, Lece, Italy, 2008, pp. 530–533.
  13. Somov, A. Baranov, D. Spirjakin, R. Passerone. Circuit design and power consumption analysis of wireless gas sensor nodes: one-sensor versus two-sensor approach. IEEE Sensors Journal 14(6): 2056-2063, 2014.
  14. Somov, A. Baranov, D. Spirjakin. A wireless sensor–actuator system for hazardous gases detection and control. Sensors and Actuators A: Physical 210: 157-164, 2014.
  15. W. Kim, S.J. Lee, G.H. Kim, G.J. Jeon, “Wireless electronic nose network for realtime gas monitoring system,” in Proc. ROSE, 2009, pp. 169–172.
  16. Andrey Somov, Alexander Baranov, Denis Spirjakin, Andrey Spirjakin, Vladimir Sleptsov, Roberto Passerone. Deployment and evaluation of a wireless sensor network for methane leak detection. Sensors and Actuators A: Physical 202: 217-225, 2013.
  17. Т. Ф. Ку. Разработка газовых сенсорнов с низким энергопотреблением для беспроводных энергонезависимых сенсорных сетей ("умная пыль"). Международный научно-исследовательский журнал №11(42): 116-122, 2015.
  18. Standard EN 50194:2000: Electrical Apparatus for the Detection of Combustible Gases in Domestic Premises. Test methods and performance requirements (2000).
  19. ETRX3 Product Manual [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. // Режим доступа: http://www.telegesis.com/downloads/general/TGETRX3-PM-001-109.pdf (дата обращения 01.05.2016).
  20.  Alexander Baranov, Andrey Somov, Denis Spirjakin, Saba Akbari, Roberto Passerone. POCO: 'Perpetual' operation of CO wireless sensor node with hybrid power supply. Sensors and Actuators A: Physical 238:112-121, 2016.

References

  1. Sergej Baskakov, Vladimir Oganov. Besprovodnye sensornye seti na baze platformy MeshLogicTM. Jelektronnye komponenty, №8: 65-69, 2006.
  2. L. S. Voskov. Besprovodnye sensornye seti i prikladnye proekty. Avtomatizacija i IT v jenergetike, №2-3: 44-48, 2009.
  3. A. G. Finogeev, V. B. Dil'man, V. A. Maslov, A. A. Finogeev. Operativnyj distancionnyj monitoring v sisteme gorodskogo teplosnabzhenija na osnove besprovodnyh sensornyh setej. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Povolzhskij region. Tehnicheskie nauki, №3: 27-36, 2010.
  4. Gorlov M. I. Mikrojelektronnyj datchik vlazhnosti poverhnostno-kondensacionnogo tipa. Patent RF 2224246. Opubl. 20.02.2004. Bjul. №5.
  5. E. V.Barbasova, T. A. Vstavskaya. Postroenie sistem upravlenija slozhnymi kompleksami naruzhnogo osveshhenija. Vesnik JuUrGU, №23: 98-101, 2011.
  6. Somov, A. Baranov, A. Savkin, D. Spirjakin, A. Spirjakin, and R. Passerone. Development of wireless sensor network for combustible gas monitoring. Sensors and Actuators, A: Physical 171(2): 398-405, 2011.
  7. Alexander Baranov, Denis Spirjakin, Saba Akbari, Andrey Somov. Optimization of power consumption for gas sensor nodes: A survey. Sensors and Actuators, A: Physical 233:279-289,2015.
  8. Andrey Somov, Alexander Baranov, Alexey Suchkov, Alexey Karelin, Sergey Mironov, Elena Karpova. Improving interoperability of catalytic sensors. Sensors and Actuators B: Chemical 221: 1156–1161, 2015.
  9. Makeenkov, I. Lapitskiy, A. Somov, A. Baranov, Flammable gases and vapors of flammable liquids: Monitoring with infrared sensor node, Sensors and Actuators B: Chemical. 209: 1102–1107, 2015.
  10. N. Samotaev, A.A. Vasiliev, B.I. Podlepetsky, A.V. Sokolov, A.V. Pisliakov. The mechanism of the formation of selective response of semiconductor gas sensor in mixture of CH4/H2/CO with air. Sensors and Actuators B: Chemical. 127: 242–247, 2007.
  11. T. F. Ku. Avtonomnoe besprovodnoe ustrojstvo dlja monitoringa koncentracii SO. Datchiki i Sistemy № 6: 42-46
  12. Hayes, S. Beirne, K.-T. Lau, D. Diamond, Evaluation of a low cost wireless chemical sensor network for environmental monitoring, in: Proceeding of the IEEE Sensors 2008, October 26-29, Lece, Italy, 2008, pp. 530–533.
  13. Somov, A. Baranov, D. Spirjakin, R. Passerone. Circuit design and power consumption analysis of wireless gas sensor nodes: one-sensor versus two-sensor approach. IEEE Sensors Journal 14(6): 2056-2063, 2014.
  14. Somov, A. Baranov, D. Spirjakin. A wireless sensor–actuator system for hazardous gases detection and control. Sensors and Actuators A: Physical 210: 157-164, 2014.
  15. W. Kim, S.J. Lee, G.H. Kim, G.J. Jeon, “Wireless electronic nose network for realtime gas monitoring system,” in Proc. ROSE, 2009, pp. 169–172.
  16. Andrey Somov, Alexander Baranov, Denis Spirjakin, Andrey Spirjakin, Vladimir Sleptsov, Roberto Passerone. Deployment and evaluation of a wireless sensor network for methane leak detection. Sensors and Actuators A: Physical 202: 217-225, 2013.
  17. T. F. Ku. Razrabotka gazovyh sensornov s nizkim jenergopotrebleniem dlja besprovodnyh jenergonezavisimyh sensornyh setej ("umnaja pyl'"). Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal №11(42): 116-122, 2015.
  18. Standard EN 50194:2000: Electrical Apparatus for the Detection of Combustible Gases in Domestic Premises. Test methods and performance requirements (2000).
  19. ETRX3 Product Manual [Jelektronnyj resurs]. Sistem. trebovanija: Adobe Acrobat Reader. // Rezhim dostupa: http://www.telegesis.com/downloads/general/TGETRX3-PM-001-109.pdf (data obrashhenija 01.05.2016).
  20. Alexander Baranov, Andrey Somov, Denis Spirjakin, Saba Akbari, Roberto Passerone. POCO: 'Perpetual' operation of CO wireless sensor node with hybrid power supply. Sensors and Actuators A: Physical 238:112-121, 2016.