Система датчиков-газоанализаторов на основе mesh-сети для контроля утечек газа в помещениях
|
РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Основные определения и обозначения 7
2 Литературный обзор по теме исследования 9
2.1 Виды газоанализаторов 9
2.2 Области применения газоанализаторов 10
2.3 Виды локальных сетей 11
2.4 Микроконтроллер STM32F103C8T6 12
3 Структура и возможности системы 14
3.1 Датчик-газоанализатор 15
3.2 Локальный сервер 16
3.3 Облачный сервер 16
4 Аппаратно-программная реализация 18
4.1 Аппаратная реализация датчика-газоанализатора 18
4.1.1 Газовый сенсор 19
4.1.2 Локальная сет ь 21
4.1.3 Прототип датчика-газоанализатора 22
4.1.4 Датчик-газоанализатор, 23
4.2 Программная реализация датчика-газоанализатора 23
4.2.1 Подготовка среды разработки 23
4.2.2 Алгоритм работы датчика-газоанализатора 24
4.3 Аппаратная реализация локального сервера 27
4.4 Программная реализация локального сервера 28
4.5 Аппаратная реализация облачного сервера 29
4.6 Программная реализация облачного сервера 29
5 Экспериментальное исследование прототипа системы датчиков-газоанализаторов 32
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 38
ПРИЛОЖЕНИЕ А - код программы для микроконтроллера STM32F103C8T6 40
ПРИЛОЖЕНИЕ Б - код Python-скрипта для локального сервера 46
ПРИЛОЖЕНИЕ В - код PHP-скрипта для облачного сервера 52
ПРИЛОЖЕНИЕ Г - отчет о патентных исследованиях 53
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Основные определения и обозначения 7
2 Литературный обзор по теме исследования 9
2.1 Виды газоанализаторов 9
2.2 Области применения газоанализаторов 10
2.3 Виды локальных сетей 11
2.4 Микроконтроллер STM32F103C8T6 12
3 Структура и возможности системы 14
3.1 Датчик-газоанализатор 15
3.2 Локальный сервер 16
3.3 Облачный сервер 16
4 Аппаратно-программная реализация 18
4.1 Аппаратная реализация датчика-газоанализатора 18
4.1.1 Газовый сенсор 19
4.1.2 Локальная сет ь 21
4.1.3 Прототип датчика-газоанализатора 22
4.1.4 Датчик-газоанализатор, 23
4.2 Программная реализация датчика-газоанализатора 23
4.2.1 Подготовка среды разработки 23
4.2.2 Алгоритм работы датчика-газоанализатора 24
4.3 Аппаратная реализация локального сервера 27
4.4 Программная реализация локального сервера 28
4.5 Аппаратная реализация облачного сервера 29
4.6 Программная реализация облачного сервера 29
5 Экспериментальное исследование прототипа системы датчиков-газоанализаторов 32
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 38
ПРИЛОЖЕНИЕ А - код программы для микроконтроллера STM32F103C8T6 40
ПРИЛОЖЕНИЕ Б - код Python-скрипта для локального сервера 46
ПРИЛОЖЕНИЕ В - код PHP-скрипта для облачного сервера 52
ПРИЛОЖЕНИЕ Г - отчет о патентных исследованиях 53
В России и в мире существует огромное количество областей применения такого полезного ископаемого, как природный газ - начиная от частных и многоквартирных домов, где газ используется в качестве горючего для отопления, нагрева воды и приготовления пищи, и заканчивая химической промышленностью, где он применяется как исходное сырье для производства различных материалов. Однако, одновременно с пользой, газ также несет большую опасность из-за своей легкой воспламеняемости и взрывоопасности. Утечка газа может привести к страшным последствиям, достаточно вспомнить о трагических случаях, которые все мы периодически видим в новостях. В связи с этим возникает необходимость автоматизированного контроля за системами газоснабжения, особенно в жилых домах, где утечки газа представляют непосредственную угрозу безопасности жильцов.
Автоматизированные системы контроля за утечкой газа в жилых многоквартирных домах, позволяют минимизировать угрозу безопасности и снизить влияние человеческого фактора при техническом обслуживании систем газоснабжения.
Разумеется, идея контроля за системами газоснабжения не нова и существует ряд готовых продуктов, так или иначе решающих эту задачу. Однако, в большинстве случаев, подобные продукты являются, либо исключительно индивидуальными системами, которые не предназначены для глобальной автоматизации, либо такие системы рассчитаны на промышленное применение - в этом случае ни их цена, ни функциональные возможности не предназначены для эксплуатации в бытовых условиях.
Цель диссертационной работы состоит в создании автоматизированной системы датчиков-газоанализаторов для многоквартирных жилых домов, способной детектировать утечки газа и своевременно оповещать аварийные службы и потребителей.
Система позволяет работать не только на локальном уровне, но также может осуществлять связь с облачным сервисом с помощью интернет сетей.
Такой подход позволяет объединить множество локальных систем в одну единую сеть с функциями глобального контроля, автоматического оповещения о возникших неполадках и сбора статистических данных.
Задачи.
1. Разработка структуры автоматизированной системы датчиков-газоанализаторов.
2. Выбор способа объединения локальной группы датчиков-газоанализаторов в единую сеть.
3. Подбор компонентов и аппаратно-программная реализация датчика- газоанализатора.
4. Подбор компонентов и аппаратно-программная реализация локального сервера системы.
5. Подбор компонентов и аппаратно-программная реализация облачного сервера системы.
6. Экспериментальное исследование прототипа системы датчиков -
газоанализаторов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Применение беспроводной ячеистой сети в качестве среды обмена данными для группы локальных датчиков-газоанализаторов внутри отдельно стоящего здания обеспечивает продолжение работы сети в случае выхода из строя её отдельных элементов, автоматическую диагностику состояния всех элементов сети, возможность обмена данными между любыми элементами сети и увеличение зоны покрытия сети с каждым добавленным в сеть элементом.
2. Использование облачного сервера обеспечивает объединение неограниченного количества локальных систем детектирования утечек газа в отдельно стоящих зданиях в единую систему удаленного контроля и мониторинга через локальные сервера.
Практическая ценность. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при создании глобальной системы автоматического отслеживания утечек газа для многоквартирных домов. Предложенный прототип позволяет реализовать систему безопасности для газифицированного здания, а также объединить неограниченное количество таких зданий в единую систему контроля и мониторинга.
Апробация работы. Часть результатов, представленных в работе, была доложена на Семнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов СНИИ-2020 и опубликована в материалах конференции.
Во введении отображена актуальность работы, сформулирована цель и задачи работы, представлены положения, выносимые на защиту и апробация работы.
В первой главе диссертации вводятся необходимые понятия и определения, такие как «сенсор», «локальный сервер», «облачный сервер» и др.
Во второй главе приведен обзор известных видов газоанализаторов и областей их применения. Также приведено сравнение различных топологий сетей и обзор характеристик микроконтроллера STM32F103C8T6.
В третьей главе описывается структура системы отслеживания утечек газа, показано, как система разделена на три основные компонента: сеть датчиков-газоанализаторов, локальный сервер и облачный сервер. Приведен список требований к каждой из этих систем с указанием необходимых функций.
В четвертой главе описывается аппаратно-программная реализация каждого компонента системы. Обоснован выбор беспроводной ячеистой сети в качестве среды передачи данных для датчиков-газоанализаторов. Произведено сравнение существующих реализаций ячеистых сетей. Описан аппаратный состав датчика и причины выбора его составных частей. Описаны инструменты, примененные для создания и реализации алгоритма работы датчика-газоанализатора. Далее обоснован выбор аппаратных устройств для локального сервера. Перечислены инструменты, использованные при создании программного обеспечения локального сервера. Также обоснован выбор аппаратных устройств для облачного сервера. Перечислены инструменты, использованные при создании программного обеспечения облачного сервера
В пятой главе приведено пошаговое описание проведения экспериментального исследования работы всех элементов автоматизированной системы датчиков - газоанализаторов для многоквартирных жилых домов. Приводятся доказательства работоспособности системы.
В заключении кратко излагаются основные результаты, полученные в ходе выполнения работы.
Автоматизированные системы контроля за утечкой газа в жилых многоквартирных домах, позволяют минимизировать угрозу безопасности и снизить влияние человеческого фактора при техническом обслуживании систем газоснабжения.
Разумеется, идея контроля за системами газоснабжения не нова и существует ряд готовых продуктов, так или иначе решающих эту задачу. Однако, в большинстве случаев, подобные продукты являются, либо исключительно индивидуальными системами, которые не предназначены для глобальной автоматизации, либо такие системы рассчитаны на промышленное применение - в этом случае ни их цена, ни функциональные возможности не предназначены для эксплуатации в бытовых условиях.
Цель диссертационной работы состоит в создании автоматизированной системы датчиков-газоанализаторов для многоквартирных жилых домов, способной детектировать утечки газа и своевременно оповещать аварийные службы и потребителей.
Система позволяет работать не только на локальном уровне, но также может осуществлять связь с облачным сервисом с помощью интернет сетей.
Такой подход позволяет объединить множество локальных систем в одну единую сеть с функциями глобального контроля, автоматического оповещения о возникших неполадках и сбора статистических данных.
Задачи.
1. Разработка структуры автоматизированной системы датчиков-газоанализаторов.
2. Выбор способа объединения локальной группы датчиков-газоанализаторов в единую сеть.
3. Подбор компонентов и аппаратно-программная реализация датчика- газоанализатора.
4. Подбор компонентов и аппаратно-программная реализация локального сервера системы.
5. Подбор компонентов и аппаратно-программная реализация облачного сервера системы.
6. Экспериментальное исследование прототипа системы датчиков -
газоанализаторов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Применение беспроводной ячеистой сети в качестве среды обмена данными для группы локальных датчиков-газоанализаторов внутри отдельно стоящего здания обеспечивает продолжение работы сети в случае выхода из строя её отдельных элементов, автоматическую диагностику состояния всех элементов сети, возможность обмена данными между любыми элементами сети и увеличение зоны покрытия сети с каждым добавленным в сеть элементом.
2. Использование облачного сервера обеспечивает объединение неограниченного количества локальных систем детектирования утечек газа в отдельно стоящих зданиях в единую систему удаленного контроля и мониторинга через локальные сервера.
Практическая ценность. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при создании глобальной системы автоматического отслеживания утечек газа для многоквартирных домов. Предложенный прототип позволяет реализовать систему безопасности для газифицированного здания, а также объединить неограниченное количество таких зданий в единую систему контроля и мониторинга.
Апробация работы. Часть результатов, представленных в работе, была доложена на Семнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов СНИИ-2020 и опубликована в материалах конференции.
Во введении отображена актуальность работы, сформулирована цель и задачи работы, представлены положения, выносимые на защиту и апробация работы.
В первой главе диссертации вводятся необходимые понятия и определения, такие как «сенсор», «локальный сервер», «облачный сервер» и др.
Во второй главе приведен обзор известных видов газоанализаторов и областей их применения. Также приведено сравнение различных топологий сетей и обзор характеристик микроконтроллера STM32F103C8T6.
В третьей главе описывается структура системы отслеживания утечек газа, показано, как система разделена на три основные компонента: сеть датчиков-газоанализаторов, локальный сервер и облачный сервер. Приведен список требований к каждой из этих систем с указанием необходимых функций.
В четвертой главе описывается аппаратно-программная реализация каждого компонента системы. Обоснован выбор беспроводной ячеистой сети в качестве среды передачи данных для датчиков-газоанализаторов. Произведено сравнение существующих реализаций ячеистых сетей. Описан аппаратный состав датчика и причины выбора его составных частей. Описаны инструменты, примененные для создания и реализации алгоритма работы датчика-газоанализатора. Далее обоснован выбор аппаратных устройств для локального сервера. Перечислены инструменты, использованные при создании программного обеспечения локального сервера. Также обоснован выбор аппаратных устройств для облачного сервера. Перечислены инструменты, использованные при создании программного обеспечения облачного сервера
В пятой главе приведено пошаговое описание проведения экспериментального исследования работы всех элементов автоматизированной системы датчиков - газоанализаторов для многоквартирных жилых домов. Приводятся доказательства работоспособности системы.
В заключении кратко излагаются основные результаты, полученные в ходе выполнения работы.
В результате диссертационной работы был создан прототип системы детектирования утечек газа для многоквартирных жилых домов. Во время разработки были получены следующие результаты:
1. Было разработано конечное устройство-газоанализатор, отвечающее за мониторинг концентрации газа в отдельном помещении и способное объединяться в локальную беспроводную ячеистую сеть датчиков.
2. Далее был разработан локальный сервер, способный опрашивать все датчики - газоанализаторы, подключенные к локальной сети, для сбора информации об их текущем состоянии. Локальный сервер отображает текущее состояние датчиков через веб-страницу, а также производит периодическую отправку данных о текущем состоянии датчиков на внешний облачный сервер через сеть интернет.
3. Также был разработан облачный сервер с установленной на нем базой данных. Облачный сервер организует прием информации с локального сервера и ее последующее сохранение в базу данных.
В случае дальнейшего развития система сможет обеспечить оповещение о возникновении утечек газа в помещениях, своевременный вызов аварийных служб, автоматическое предотвращение распространения утечки путем подключения исполнительных устройств (автоматизированных кранов, перекрывающих подачу газа, вентиляционных систем, уменьшающих концентрацию взрывоопасных воздушно-газовых смесей). Дополнительно, система предусматривает возможность к расширению и добавлению в нее новых функций (подключение различных типов датчиков, взаимодействие с различными локальными системами) в зависимости от требований норм безопасности и задач, решаемых пользователями.
1. Было разработано конечное устройство-газоанализатор, отвечающее за мониторинг концентрации газа в отдельном помещении и способное объединяться в локальную беспроводную ячеистую сеть датчиков.
2. Далее был разработан локальный сервер, способный опрашивать все датчики - газоанализаторы, подключенные к локальной сети, для сбора информации об их текущем состоянии. Локальный сервер отображает текущее состояние датчиков через веб-страницу, а также производит периодическую отправку данных о текущем состоянии датчиков на внешний облачный сервер через сеть интернет.
3. Также был разработан облачный сервер с установленной на нем базой данных. Облачный сервер организует прием информации с локального сервера и ее последующее сохранение в базу данных.
В случае дальнейшего развития система сможет обеспечить оповещение о возникновении утечек газа в помещениях, своевременный вызов аварийных служб, автоматическое предотвращение распространения утечки путем подключения исполнительных устройств (автоматизированных кранов, перекрывающих подачу газа, вентиляционных систем, уменьшающих концентрацию взрывоопасных воздушно-газовых смесей). Дополнительно, система предусматривает возможность к расширению и добавлению в нее новых функций (подключение различных типов датчиков, взаимодействие с различными локальными системами) в зависимости от требований норм безопасности и задач, решаемых пользователями.
