Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Этот отчет посвящен прибору на основе спектральной ионной подвижности «электронному носу» и передаче измеряемых данных устройствами, включенными в беспроводную сеть.

В настоящее время в нашей стране и во всем мире особую актуальность приобрели технические средства поиска различных наркотических и взрывчатых веществ. Все увеличивающийся объем потребления наркотических веществ в разных странах, а следовательно их перемещение через государственные границы и вытекающие из этого обязательства потребовали от наших таможенных служб более целенаправленной организации работы по выявлению запрещенных и опасных веществ переправляемых через госграницу. Одним из решений проблемы является использование специальных ионно-дрейфовых приборов, которые обнаруживают отдельные вещества по летучим компонентам.

В нашем институте был разработан такой портативный прибор под названием «Электронный нос», который в настоящее время пользуется спросом в аэропортах нашей страны. Развитие техники требует постоянного модернизирования прибора: его габариты и вес уменьшаются, улучшается работа, система управления и связи.

Электронный нос — детектор следовых концентраций взрывчатых, наркотических, боевых отравляющих и других малолетучих веществ в сверхмалых концентрациях. Его действие основано на принципах спектрометрии ионной подвижности [1].

Метод спектрометрии ионной подвижности (IMS - ion mobility spectrometry) широко используется уже на протяжении более 20 лет для детектирования малых концентраций различных веществ, составляя серьезную конкуренцию таким классическим методам, как хроматография и масс-спектрометрия. Достоинство IMS метода состоит в возможности работы в обычной воздушной среде при атмосферном давлении, высокое быстродействие, относительно малые габариты, приемлемая цена и высокая надежность.

Суть метода состоит в ионизации молекул детектируемого вещества и селекции молекул по подвижности во время дрейфа в постоянном электрическом поле. Из-за различия подвижностей разных ионов их сгусток во время дрейфа размазывается – ионы с более высокой подвижностью достигают детектора раньше медленных ионов, соответственно на кривой зависимости ионного тока от времени появляются пики, отвечающие за ионы с различными подвижностями.

Потребность в таких приборах определяется нужда-ми Министерства Обороны, пограничных и силовых структур, МЧС. Прибор может применяться для контроля состава окружающей среды на объектах повышенной опасности, в оперативнодосмотровой работе силовых структур, а также в местах проведения культурно-массовых мероприятий для обеспечения безопасности и противодействия терроризму.

Электронный нос — портативный детектор весом около 2.5 кг. Может быть выполнен в формате моно-блока или комплектоваться дополнительным блоком аккумуляторов для ношения на поясе. Электронный нос служит основой для создания порталов службы таможенного контроля, позволяющих пресекать транспортировку запрещенных веществ.

Рисунок 1. Электронный нос

Основными составляющими спектрометра ионной подвижности являются спектрометрическая ячейка (рисунок 2), газовые системы забора пробы и формирования потока дрейфового газа и обрабатывающий блок со встроенной ЭВМ для обработки и хранения данных [3].

Источник ионизации при подаче высокого напряжения образует плазму коронного разряда. Функционирование источника происходит в импульсном режиме, в результате чего образуются короткие сгустки ионов.

После прохождения затворной области ионный сгусток попадает в дрейфовую область с однородным электрическим полем и движется по направлению к коллектору, закрепленному с другой стороны спектрометрической ячейки. Ионный ток с коллектора усиливается с помощью специального усилителя пикоамперных импульсов и поступает на блок обработки данных. Спектр ионного тока характеризует наличие в пробе воздуха ионов, а соответственно и молекул, с данным временем пролета и подвижностью. Общая идея устройства и типовая структура спектрометра ионной подвижности представлены на рисунке 4.

Рисунок 3. Типовая структура спектрометра ионной подвижности

К приборам типа "Электронный нос" относят при-боры, работающие на различных физических принципах, представленных в таблице 1, в частности портативные анализаторы подвижности ионов, портативные газовые хроматографы. До настоящего времени на рынке данной продукции практически отсутствуют портативные модели [2].

Управление работой спектрометра ионной подвижности, обработка и сохранение результатов измерений и также коммутация внешних устройств осуществляется управляющей ЭВМ формата PC104 [3]. ЭВМ представляет собой полноценный встраиваемый компьютер с частотой процессора 800 МГц, 256 Мб оперативной памяти жестким диском на основе Flash-памяти формата CompactFlash, встроенным графическим адаптером, а также контроллерами USB, Ethernet, Com и LPT.
Система передачи данных построена на коммутации линий связи последовательного асинхронного интерфейса UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), обеспечивающего подключение до 256 независимых внешних устройств к одному COM порту управляющей ЭВМ. Связь между устройствами осуществляется в дуплексном режиме и устанавливается исключительно по запросу ЭВМ.
Управление исполнительными устройствами реализовано на основе 8-разрядных RISC микроконтроллеров серии Atmega фирмы ATMEL. Главным управляющим устройством на печатной плате является некоторый диспетчер, функциями которого являются считывания информации с датчиков, обработка адресной части протокола установления связи, ряд внутренних функций управления устройствами. Диспетчер обрабатывает адресную посылку UART, приходящую непосредственно на вход микросхемы. Если адресная посылка описывает один из микроконтроллеров, находящихся на этой плате, в том числе и сам диспетчер, то происходит необходимая коммутация, и информационные линии от управляющей ЭВМ направляются к данному микроконтроллеру.
Связь между управляющей ЭВМ, диспетчерами и вторичными контроллерами осуществляется в девятибитном формате с одним стартовым и одним стоповым битами на скорости 115200 бит/с.
Обмен данными между управляющей ЭВМ и адресованным контроллером организован в восьмибитном формате. Ноль в восьмом бите посылки от управляющей ЭВМ к адресованному контроллеру означает запрос на получение данных из ячейки памяти контроллера, адрес которой указан в оставшихся семи битах посылки. Таким образом, центральная управляющая ЭВМ способна адресовать 128 ячеек из оперативной памяти адресованного контроллера. Приняв такую посылку, контроллер отправляет в ответ ЭВМ данные из указанной ячейки. Единица в восьмом бите посылки от управляющей ЭВМ к адресованному контроллеру означает запрос на запись данных в ячейку памяти, адрес которой указан в оставшихся семи битах посылки. Адресованный контроллер, приняв такой запрос, в качестве подтверждения ретранслирует его обратно управляющей ЭВМ и готовится к записи содержимого следующей посылки в ячейку памяти с указанным адресом.

Хотя сегодня существует огромное разнообразие приборов для определения взрывчатых веществ, пока нигде в мире общественный транспорт не оснащен ими в полной мере. Газета ВЗГЛЯД проанализировала, как может быть устроена система безопасности в столичном метро [4].
Первыми «детекторами», нашедшими широкое применение, были служебные собаки, натренированные на поиск взрывчатки. Благодаря тому, что собачий нос чувствительнее человеческого в несколько тысяч раз, особо талантливые животные способны обнаруживать взрывчатые вещества на глубине до 70 см. При всей кажущейся простоте, дешевизне и эффективности метода он имеет непреодолимые недостатки. Собачки элементарно устают и не могут нести службу круглосуточно. По мнению кинологов, собака-«нюхач» способна эффективно работать 2−2,5 часа, после чего пес нуждается в отдыхе. Животные болеют, нервничают и могут быть просто не в настроении. Было бы очень заманчиво иметь «электронный нос» как аналог носа собачьего со сравнимой или большей чувствительностью. Но стоимость такого прибора в пределах от 20 до 40 тыс. долларов вряд ли позволяет оснастить ими каждую станцию метро в каждом городе России.
Комплексная система может выглядеть следующим образом. Сложные и дорогие газоанализаторы могут быть установлены на конечных станциях линий (как правило, наиболее загруженных) и/или на крупных пересадочных узлах, объединяющих более двух веток. На остальных станциях будет достаточно простых и недорогих устройств, работающих по другому физическому принципу. Оснастить такими устройствами можно едва ли не каждый турникет на каждой станции, а анализ и обработка сигналов могут производиться централизованно − с помощью суперкомпьютера или компьютерных кластеров, объединенных в сеть. Конечно, разработка таких устройств, написание софта, создание и наладка сети тоже стоят немалых денег, но это дешевле, чем оснащать каждую станцию прибором за немалые тысячи. Кроме того, в случае угрозы терактов целесообразно применение нарядов с собачками и ручными газоанализаторами для выборочной проверки подозрительных граждан. Сложно сказать, каковы будут стоимость такой системы и сроки ее реализации, но она вполне возможна.

Беспроводная сеть представляет собой совокупность различных программно-аппаратных средств, в виде множества распределенных в пространстве беспроводных модулей (БМ), шлюза (точки сбора информации), сервера и Web сайта пользователя, обеспечивающих связь БМ – базы данных (БД) – клиентских приложений (КП). Сеть предназначена для непрерывного контроля состава детектируемого воздуха в режиме реального времени. Архитектура сенсорной сети детектирования состоит из трех основных уровней: клиентский уровень; серверный уровень; уровень беспроводных модулей, которые в свою очередь являются крупными разделами разрабатываемой распределенной автоматизированной системы мониторинга [5].
БМ в свою очередь представляет собой электронный нос, работающий от автономного источника питания. Программное обеспечение устройства отвечает за работоспособность, осуществляя прием и передачу данных, которые БМ получает с детекторов. Чувствительный элемент состоит из: микроконтроллеров и управляющей ЭВМ, радиопередающего устройства (с функцией ретрансляции), блока автономного питания (на базе аккумулятора), памяти. Аккумуляторная батарея построена на основе 15 литий-ионных перезаряжаемых элементов питания формата 18650 с рабочим напряжением 3.7 В и номинальной емкостью 2.8 А*ч каждый. Выходное напряжение аккумуляторной батареи составляет около 14 В, при этом суммарная емкость 14 А*ч позволяет обеспечить время автономной работы прибора более 5 часов. Компоновка расположения аккумуляторной батареи позволяет включить в комплект поставки прибора аккумуляторную батарею с удвоенной емкостью на основе расположенных друг над другом стандартных аккумуляторных батарей и увеличить время автономной работы прибора до 10 часов.
БМ с заданным периодом выполняют нормализацию и аналого-цифровое преобразование сигналов с подключенных к ним датчиков и устройств детектирования, а также осуществляют их первичную обработку. Далее полученные результаты в виде пакета с цифровыми данными передаются в точку сбора информации по радиоканалу. Шлюз обеспечивает соединение БМ с серверным уровнем, исполняя роль автономного регистратора показаний, поступающих от распределенных БМ, и сохраняет их в энергозависимой памяти, отмечая время поступления данных и другую служебную информацию для последующего анализа и восстановления из архива, а также выдает информацию по запросу сервера. Далее с помощью специального ПО информация из
шлюза загружается на серверный уровень для ее по-следующей обработки и отображения.
Модули беспроводной связи совмещены с устройствами для хранения информации, устанавливаются на датчики и программируются на снятие и передачу информации, после чего данная информация оперативно транслируется на ПК, где установлено специальное ПО- автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора системы.
Основной задачей АРМ является получение и представление оперативной информации об обнаружении запрещенного вещества посредством мониторинга БМ на изменение главного параметра в виде наличия определенных ионов в пробе воздуха, которая в свою очередь обрабатывается с помощью детекторов. При этом данная задача решается посредством: обеспечения стабильной работы БМ сети; обеспечения mesh-топологии сети; обеспечения хранения данных в базе; обеспечения удобного поиска по всей представляемой информации; обеспечения организации оповещений пользователей об обнаружении.

Выбор беспроводной связи для передачи информации между датчиками и серверной, куда будет стекаться вся информация со всех детекторов, определяется радиусом действия беспроводной сети [6]. На рисунке 5 представлена классификация беспроводных сетей по дальности действия.

Рисунок 4. Классификация сетей по дальности действия