Суперсенсорный компьютер для измерения и анализа параметров окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 004.383 + 004.67 + 004.75

Донецкий национальный технический университет

сбор хранение датчик супесенсорный

СУПЕРСЕНСОРНЫЙ КОМПЬЮТЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Варзар Р. Л., Аноприенко А. Я.

сбор хранение датчик супесенсорный

Введение

Сегодня одной из актуальных проблем современного мира является загрязнение окружающей природной среды факторами, являющимися следствием активной деятельности человека и измерение этих загрязнений. К таким факторам можно отнести акустический шум, вибрации, электромагнитное излучение, ионизирующую радиацию, выбросы ядовитых газов, биологическое загрязнение, воздействие на погоду и климат. Для измерения некоторых параметров требуются громоздкие дорогостоящие приборы. Многие параметры измеряются по отдельности и зачастую не проводятся комплексные оценки влияния этих параметров на окружающую среду и не изучаются корреляции между ними.

Целью работы является описание возможных способов решения вышеописанных проблем.

Идея работы заключается в создании универсального суперсенсорного микрокомпьютера и построение сети таких устройств, а также анализ полученных данных, прогнозирование и формирование выводов о пригодности окружающей среды для человека и других живых организмов.

Актуальность поставленных задач подтверждается тем, что ежедневно мы подвергаемся воздействию внешних факторов окружающей среды и не имеем даже малейшего представления о влиянии этих факторов на наш организм.

Научная новизна работы заключается в том, что разрабатываемая система будет комплексно анализировать поступающие данные с разных сенсоров, находить корреляции между ними, производить оценку влияния факторов внешней среды на организм человека, а также обладать мобильности и дешевизной, сопоставимой с современными мобильными устройствами, такими как смартфоны, КПК или спутниковые навигаторы.

1. Основные параметры суперсенсорного компьютера

К основным параметрам, которые измеряет суперсенсорный компьютер относятся следующие: температура воздуха (-55…+125 °C, ±1 %), относительная влажность (0...100 %, ±2 %), атмосферное давление (300…1100 гПа, ±0.2 %), освещенность (0…70000 Люкс, ±5 %), механические вибрации (-16…+16 g, 3 оси, ±2 %), акустический. шум (0…200 дБ, ±5 %), ионизирующее бета- и гамма-излучение (0...100000 мкР/ч, ±10 %), магнитное поле (0...1000 Гаусс, ±1.5%), электромагнитное излучение (0…4000 мкВт/см², ±10 %), детектирование грозовых разрядов (0…100 км, ±20 %), концентрация озона (0.01...1 ppm, ±30 %), концентрация угарного газа (1…1000 ppm, ±30 %), концентрация аммиака (0.1…100 ppm, ±30 %), концентрация диоксида азота (0.05…5 ppm, ±30 %), общая концентрация вредных газов и паров (0…1000 ppm, ±50 %), электронный компас (0…360 ° , 3 оси, ±1 %), спутниковая навигация GPS.

Суперсенсорный компьютер имеет несколько интерфейсов для обмена данными с другими устройствами и центральным сервером: USB, последовательный порт, Bluetooth. Он содержит также встроенную энергонезависимую память, часы реального времени и позволяет подключать внешние накопители информации, такие как карты памяти. Питание осуществляется от встроенного литий-ионного или литий-полимерного аккумулятора, от внешнего блока питания или порта USB.

2. Аппаратная архитектура суперсенсорного компьютера

Суперсенсорный компьютер состоит из следующих модулей (рис 1):

1. Микропроцессорный модуль - Micro Controller Unit (MCU)

2. Аналогово-цифровые преобразователи - Analog-to-Digital Converter (ADC)

3. Импульсно-цифровые преобразователи Impulse-to-Digital Converter (IDC)

4. Частотно-цифровые преобразователи Frequency-to-Digital Converter (FDC)

5. Модуль связи - Connection Module (CM)

6. Модуль памяти - Memory Module (MM)

7. Модуль питания - Power Module (PM)

8. Часы реального времени - Real Time Clock (RTC)

9. Модуль навигации - Navigation Module (NM)

10. Аналоговые датчики - Analog Sensors (AS)

11. Цифровые датчики - Digital Sensors (DS)

12. Импульсные датчики - Impulse Sensors (IS)

13. Устройства ввода информации - Input Devices (ID)

14. Устройства вывода информации - Output Devices (OD)

Модуль MCU выполняет следующие функции:

1. Управляет работой периферийных устройств - модулей ADC, IDC, FDC, RTC, CM, MM, NM, PM, ID, OD.

2. Выполняет математическую обработку полученных измерений с датчиков.

3. Обеспечивает хранение полученных данных.

4. Обеспечивает вывод полученных данных на устройства вывода информации (ID) и передачу их с помощью модуля CM на внешние устройства сбора, хранения и обработки информации.

Модули преобразования сигналов (ADC, IDC, FDC) - необходимы для преобразования сигналов из аналоговой в цифровую форму, понятную для микропроцессора. Модуль связи (CM) - обеспечивает обмен данными между суперсенсорным компьютером и любым другим устройством, которое может хранить и обрабатывать информацию. Модуль памяти (MM) - состоит из внутренней и внешней памяти. Необходим для хранения получаемой информации с сенсоров для последующей обработки. Часы реального времени (RTC) - необходимы для точного измерения и фиксирования времени регистрации информации с датчиков. Модуль навигации (NM) - определяет географическое местоположение суперсенсорного компьютера. Модуль питания (PM) - обеспечивает стабильное питание разными напряжениями всех модулей суперсенсорного компьютера, контролирует заряд аккумуляторов и защищает микросхемы от помех и вредных импульсов. Устройства ввода/вывода информации (ID/OD) - необходимы для управления суперсенсорным компьютером, контроля его работы и оперативного отображения значения измеряемых параметров [1, 2].

Универсальность устройства, наличие в нем разных цифровых интерфейсов и АЦП позволяет подключать к нему как аналоговые, так и цифровые датчики, измеряющие различные параметры окружающей среды и имеющие разную точность и погрешность измерений. Модульная конструкция прибора позволяет с легкостью заменять датчики и другие модули [3].

Рисунок 1 - Структурная блок-схема суперсенсорного компьютера

3. Интеллектуальная суперсенсорная компьютерная сеть

Интеллектуальная сенсорная сеть -- это распределенная самоконфигурируемая беспроводная сеть, состоящая из малогабаритных интеллектуальных сенсорных устройств. Назначение интеллектуальной сенсорной сети - решение задач сбора, обработки и передачи информации с высокими требованиями по автономности, надежности, масштабируемости и распределенности сети. К основным областям применения интеллектуальных сенсорных сетей относятся следующие отрасли науки и производства: системы охраны и контроля доступа, автоматизация зданий, диагностика промышленного оборудования, удаленный сбор показаний со счетчиков, телемедицина и здравоохранение, военное применение, экологический мониторинг [4-6].

Автором разрабатывается архитектура такой сети, которая сможет объединить в себе огромное количество суперсенсорных компьютеров, что позволит решить следующие задачи:

1. Накопление и сохранение информации, получаемой с портативных суперсенсорных компьютеров

2. Анализ накопленных данных, поиск корреляций между ними

3. Визуализации информации с применением геоинформационных технологий

4. Прогноз изменения параметров и их влияния на окружающую среду

Предполагается использование клиент-серверной архитектуры, в которой клиентами будут портативные суперсенсорные компьютеры. Информация с них будет поступать на центральный сервер. На рисунке 2 приведена структурная блок схема клиент-серверной архитектуры интеллектуальной суперсенсорной сети [7].

Рисунок 2 - структурная блок-схема интеллектуальной суперсенсорной сети

4. Расчет комплексных параметров

В настоящее время для оценки влияния внешних факторов окружающей среды на человека используются так называемые комплексные индексы, которые одновременно учитывают несколько параметров. Эти индексы обычно используются в погодных метеостанциях, которые на основе нескольких параметров (температура, влажность, скорость ветра и т. д.) рассчитывают температуру окружающей среды, которую человек реально будет чувствовать кожей, а не то, что показывает только один лишь термометр. К таким индексам, например, относятся: Индекс тепла (Heat index, humiture, HI), Humidex, Ветро-холодовой индекс (жесткость погоды, Wind Chill), Wet-Bulb Globe Temperature (WBGT), THC индекс (индекс тепловой нагрузки среды).

Автором предлагается ввести так называемый общий индекс опасности, который бы учитывал не только атмосферные параметры, но также и ионизирующие, радиоизлучения, акустический шум, вибрации и загрязненность атмосферного воздуха.

Выводы

В это статье были рассмотрены основные принципы построения суперсенсорных компьютеров, интеллектуальных суперсенсорных сетей и расчета величин комплексных индексов множества параметров. Исходя из вышеописанного, можно сделать следующие выводы:

1. Работа обладает научной новизной, поскольку не существует аналогов, обладающих всеми описанными характеристиками

2. Был разработан экспериментальный образец суперсенсорного компьютера, который уже измеряет 8 параметров окружающей среды и передает полученные данные по USB-порту на персональный компьютер для дальнейшего анализа

3. Модульность, простота использования, возможность замены отдельных блоков и датчиков и мобильность делают систему доступной широкому кругу пользователей

4. Цена готового промышленного устройства будет колебаться в диапазоне от 100 до 1000 у. е. в зависимости от комплектации, что не превышает среднестатистических цен на мобильные телефоны или спутниковые навигаторы

В будущем планируется решить следующие задачи:

1. Разработка дешевого, компактного, оснащенного максимальным количеством датчиков суперсенсорного компьютера

2. Изучение комплексного влияния различных параметров на организм человека и создание математических моделей

3. Разработка программного обеспечения для центрального сервера, который сможет собирать и анализировать получаемую с устройств информацию в режиме реального времени

4. Разработка предложений по созданию мелкосерийного производства суперсенсорных компьютеров

Литература

[1] Бродин В. Б., Калинин А. В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики - М.: Издательство ЭКОМ, 2002. - 400 с.: илл.

[2] Микросхемы АЦП и ЦАП. - М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2005. - 432 с.: ил. + CD. - (Серия "Интегральные микросхемы").

[3] Варзар Р. Л., Харитонов А. Ю. Разработка цифро-аналогового преобразователя - звукового адаптера, работающего через последовательный порт RS-232 на базе микроконтроллера ATmega16 // Информационные технологии и информационная безопасность в науке, технике и образовании - 2007 / Материалы международной научно-практической конференции. - Севастополь, СевНТУ - 2007, часть 2, с. 99.

[4] Беспроводной промышленный мониторинг. Интеллектуальные системы на базе сенсорных сетей. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ipmce.ru/img/release/is_sensor.pdf

[5] Аноприенко А. Я., Святный В. А. Универсальные моделирующие среды // Сборник трудов факультета вычислительной техники и информатики. Вып. 1. - Донецк: ДонГТУ. 1996. - 8-23 с.

[6] Аноприенко А. Я., Святный В. А. Высокопроизводительные информационно-моделирующие среды для исследования, разработки и сопровождения сложных динамических систем // Научные труды Донецкого государственного технического университета. Выпуск 29. Серия "Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем" - Севастополь: "Вебер". - 2001. - 346-367 с.

Размещено на Allbest.ru