Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ»
Отчет по Домашнему Заданию №1
по курсу “Сети компьютеров”
на тему:
«Умные датчики/сенсоры в сети»
Подготовил студент группы А9-09
Золин А.А.
Проверил доцент кафедры №27
Лапшинский В.А.
Москва
2014
Оглавление
Оглавление………………………………………….…….…..2
Реферат……………………………………...…….……….….3
Введение.……………………………………………...….…..4
Классификация датчиков………………….………...6
Что такое “умный датчик”?........................8
Электронный нос………………………………………...10
Датчики движения……………………………….………15
Сенсорные сети……………………………………………..22
Заключение…………………………..…………….………..29
Литература………………………………………….……….30
Реферат
Этот отчет посвящен как датчикам в целом, так и “умным датчикам”, в частности.
Число страниц: 30
Рисунков: 12
Таблиц: 1
Источников в списке литературы: 5
Введение
Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. Началом истории сенсоров принят конец XIX - начало XX века.
• 1880 год — создание катарометра, который использовался для определения содержания водорода в водяном паре;
• 1885 год — создана двухэлектродная ячейка Кольрауша;
• 1888 год — созданы металлические электроды Нернста и др.:
В конце XIX - начале XX вв. под сенсорами (слово "сенсор" от английского слова sense - чувство, ощущение) понимали портативные устройства для определения химического состава среды. Типичная конструкция сенсора включала чувствительный элемент и преобразователь.
Рис.1. Внешний вид современного датчика
Исторически и логически датчики связаны с техникой измерений и измерительными приборами, например термометры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик — устройство управления — исполнительное устройство — объект управления. Специальный случай представляет использование датчиков в автоматических системах регистрации параметров, например, в системах научных исследований.
Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.
Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
Классификация датчиков
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам: В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.
В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.
По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др. Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений: -электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; - электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;
- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.
Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.
Что такое “умный датчик”?
Широко встречаются два основных значения понятия датчик:
• Чувствительный элемент, преобразующий параметры среды в пригодный для технического использования сигнал, обычно электрический, хотя возможно и иной по природе, например — пневматический сигнал;
• Законченное изделие, основанное на базе указанных выше элементов.
В зависимости от характера устройства, потребности объёма обработки информации, усиления сигнала, линеаризации, дискретизации, калибровки, аналого-цифрового преобразования с восстановлением и интерфейса для интеграции в системы управления, для получения и выдачи оцифрованных сигналов на экраны мониторов и телевизоров, чувствительный элемент — датчик (сенсор) носит разные названия.
В первом случае датчик — это небольшое, обычно единичное цельное устройство электронной техники, например, терморезистор, фотодиод (пиксел) и т. п., которое используется самостоятельно в отдельных схемах и выполняет узкую функцию преобразования и выдачи отдельного сигнала.
Во втором случае — это законченное по своей функциональности устройство, другими словами – “умный датчик”, работающее в системе связанных единичных элементов в системах: автоматического управления, регистрации аналоговых сигналов предметных точек объекта с последующей их обработкой, оцифровкой, созданием выходной информации в виде изображений на видеоэкранах и др. В данном случае сенсор, как законченная функциональная единица, получил название — фотодатчика или в переводе — фотосенсора.
В последнее время в связи с удешевлением электронных систем все чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определенная тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массированного использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические. Понятие датчика по практической направленности и деталям технической реализации близко к понятиям измерительный инструмент и измерительный прибор, но для этих устройств преобладает аспект их использования человеком, а датчики, как правило, используются в автоматическом режиме.
Электронный нос
Одним из примеров таких “умных датчиков” является электронный нос.
Рис.2. Электронный нос
«Электронным носом» принято называть мультисенсорную систему распознавания компонентов газовых смесей. К ним относятся приборы, работающие на различных физических принципах, представленных в табл. 1, в частности портативные анализаторы подвижности ионов, портативные газовые хроматографы. Большинство приборов имеют стоимость от $20 тыс. до $100 тыс., при этом прогнозируется существенное снижение стоимости по мере совершенствования технологии изготовления самих сенсоров. До настоящего времени на рынке данной продукции практически отсутствуют портативные модели.
В отличие от традиционных сенсорных систем, требующих высокоселективных чувствительных элементов, «электронный нос» использует набор низкоселективных сенсоров. Возможность реализации систем типа «электронный нос» опирается на развитые современные средства вычислительной техники и методы обработки многопараметрической информации.
Нанотехнологии позволяют расширить набор материалов, используемых для производства сенсоров, и получить рекордные характеристики. К их числу относятся нанокомпозиционные материалы, включающие наночастицы металлов, оксидов металлов, полимеры. Нанокомпозиционные материалы являются основой нового типа химических сенсоров, обладающих высокой чувствительностью и селективностью, быстрым обратимым адсорбционным откликом и работающие при комнатной температуре. Совокупность нанокомпозиционных материалов с различным химическим составом является одной из перспективных систем для создания «Электронного носа».
Наносенсорная нейроподобная система «Электронный нос» включает в себя следующие компоненты:
• матрицу высокочувствительных полупроводниковых сенсоров;
• анализаторов состава газовой фазы. Сенсоры в матрице должны различаться по своим основным параметрам (чувствительность, селективность), число их может колебаться от единиц до нескольких десятков в зависимости от назначения и технических возможностей обработки сигнала. В качестве чувствительных элементов мультисенсорной системы предполагается использовать полимерные нанокомпозиты и наноструктурированные материалы, которые по-разному меняют свою электропроводность под воздействием различных веществ;
• систему пробоотбора для доставки газовой пробы из анализируемого воздушного объема к сенсорной матрице. В систему пробоотбора входит система регенерации, предназначенная для восстановления работоспособности сенсорной матрицы после воздействия на нее активных компонентов воздушной среды;
• аналоговый адаптер для поддержания режимов работы сенсоров в матрице и преобразования выходного сигнала сенсоров в цифровой код;
• цифровой контроллер для предварительной обработки сигнала сенсоров и организации стандартного интерфейса для связи с компьютером;
• компьютер с программным обеспечением для распознавания образов.
Рис.3. Структура “электронного носа”
Основная особенность данной разработки состоит в использовании нового поколения химических сенсоров, основанных на наногетерогенных тонкопленочных композитах. Эти материалы сочетают в себе свойства, характерные для наночастиц со свойствами оксидных сенсоров, выполненных по планарной технологии. Такой подход соответствует современным тенденциям в конструировании SMART-материалов, т.е. материалов, проявляющих сильное, быстрое и обратимое изменение своих характеристик при малом внешнем воздействии. По совокупности основных потребительских качеств (чувствительность 10-14 г/см-3, время анализа 1-2 с, масса 0,5-2 кг и цена 15-300 тыс. руб.) рассматриваемая система «Электронный нос» - значительно лучше отечественных и зарубежных аналогов, благодаря использованию оригинальной нанотехнологий получения чувствительного элемента, защищенной патентом, и программному обеспечению, являющемуся ноу-хау.
Наносенсорная нейроподобная система «Электронный нос» предназначена для обнаружения в реальном масштабе времени сверхнизких концентраций широкого класса веществ, например для анализа запахов различных веществ, обнаружения паров токсичных летучих органических соединений, взрывчатых веществ, наркотиков и т.п. Рассматриваемая система в ближайшие 3-10 лет может стать ключевым направлением развития индустрии безопасности. Она имеет широкий спектр применения и открывает новые возможности для существенного повышения (в десятки раз) тактико-технических характеристик систем безопасности. По своей сути варианты ее исполнения являются инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности.
Датчики движения
Инфракрасные датчики движения и присутствия - реальный способ экономии электроэнергии, а также один из представителей “умных датчиков”, т.е. прибор, способный работать автономно.
Датчики движения и присутствия автоматически включают/выключают освещение в помещении в зависимости от интенсивности естественного потока света и/или присутствия людей. Принцип их действия основан на регистрации изменения инфракрасного (ИК) излучения, вызванного перемещением или деятельностью человека.
По физической природе видимый свет и ИК излучение одинаковы. ИК излучение также можно сфокусировать линзой, как обычный свет. При попадании ИК излучения на фотоэлемент он меняет свои параметры. При комнатной температуре в видимом свете тела не светятся, а в ИК диапазоне - просто сияют.
На рис. 4 представлена фотография человеческого тела, сделанная в полной темноте.
Рис.4 Распределение температуры человеческого тела в инфракрасном спектре
Назовем это излучение «инфракрасным светом» или сокращенно - ИК свет. А словом «свет» будем обозначать обычный видимый свет. Яркость ИК света зависит от температуры тела. Что горячее - светится ярче, что холоднее, светится слабее. Контраст между ИК свечением человека и, например, ИК свечением холодного окна значительный. Присутствие человека распознается сразу, см. рис. 4. ИК свет человека и ИК свет теплого пола практически одинаковы. Распознать человека по контрасту ИК света человека и ИК света теплого пола почти невозможно.
Датчики движения и датчики присутствия реагируют на появление и исчезновение ИК света на фотоэлементе. Такие появления-исчезновения ИК света чаще всего вызваны деятельностью человека, реже факторами, не связанными с человеком, например, движением теплого воздуха от батареи и т.п.
Поэтому ошибочные срабатывания присущи всем датчикам движения (присутствия). Датчики движения более просты по конструкции и реагируют только на активные движения, например, идущего человека. Датчик присутствия реагирует на все незначительные движения, обычно совершаемые человеком, когда он стоит или сидит: движение пальцев по клавиатуре, покачивание головы и т.п. Если человек будет сидеть абсолютно неподвижно, то через заданное время датчик отключит свет.
На рис. 5 представлено устройство ИК датчика. В середине датчика расположены приемники ИК света - фотоэлементы. Эти элементы накрыты похожей на колпак или цилиндр мультилинзой (рис. 6).
Мультилинза состоит из множества маленьких линз, каждая из которых фокусирует ИК свет на плоскость фотоэлемента, а одна из них - непосредственно на сам фотоэлемент (сигнал регистрируется). При движении человека через какое-то время фокус линзы уходит с фотоэлемента и сигнал пропадает. Затем уже другая линза фокусирует ИК свет человека на фотоэлемент - сигнал опять появляется. Такое появление-исчезновение-появление сигнала - признак присутствия человека.
Рис.5. Устройство ИК датчика
Рис.6. Мультилинза ИК датчика
Рис.7. Принцип работы датчика движения или присутствия
Каждая линза охватывает свой сегмент. Сигнал пропадает при выходе человека (руки человека) за границы этого сегмента. При перемещении внутри сегмента сигнал не меняется.
Первый вывод. Чем больше таких линз, тем более мелкие движения может улавливать датчик.
Вывод второй. С удалением от датчика размер сегмента увеличивается и с какого-то расстояния все мелкие движения, например, движение рук, покачивания головы будут находиться в границах одного сегмента. После этого расстояния датчик присутствия может работать уже только как датчик движения.
У датчиков движения сегменты более крупные по сравнению с датчиками присутствия. Датчики движения загрублены и реагируют на более яркий ИК свет по сравнению с датчиками присутствия.
На датчик не должен падать прямой свет ламп (рис. 8).
Рис.8. Размещение светильников и датчика движения или присутствия
В зоне обнаружения датчика не должно быть посторонних объектов, ограничивающих обзор датчика, например подвесных светильников (рис. 9).
Рис.9. Размещение подвесных светильников
Так же в зоне обнаружения не должно быть перегородок, даже стеклянных, т.к. ИК свет сквозь стекло не проходит. Основная характеристика датчика движения - радиус обнаружения. Для датчика присутствия - радиус обнаружения сидящего или стоящего человека и радиус обнаружения идущего человека. Этот радиус должен «дотягиваться» до углов помещения. Если не дотягивается, то в комнате придется ставить 2, а то и 3 датчика. Охватить прямоугольное помещение датчиками с круговыми диаграммами можно только с перехлестом диаграмм.
Почти все датчики движения (присутствия) на сегодня - это датчики с круговыми или овальными диаграммами обнаружения. Датчики присутствия с квадратной зоной обнаружения на сегодня выпускаются только единственной немецкой компанией. Квадратная зона обнаружения значительно упрощает проектирование, да и самих датчиков требуется меньше: 4 «квадратных» вместо 7 с круговой диаграммой. Углы помещения надежно перекрываются (рис.10).
Рис. 10. Сравнение круговых и квадратных зон обнаружения
Датчики движения и присутствия следует устанавливать подальше от отопительных приборов, кондиционеров или вентиляторов.
Сенсорные сети
Взаимодействие датчиков рассмотрим на примере беспроводной сенсорной сети.
Новейшие технологии беспроводной связи и прогресс в области производства микросхем позволили в течение последних нескольких лет перейти к практической разработке и внедрению нового класса распределенных коммуникационных систем — сенсорных сетей.
Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks) состоят из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств — мотов (от англ. motes — пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память — флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики. Датчики могут быть самыми разнообразными; они подключаются через цифровые и аналоговые коннекторы. Чаще других используются датчики температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации и т.д. Набор применяемых датчиков зависит от функций, выполняемых беспроводными сенсорными сетями. Питание мота осуществляется от небольшой батареи. Моты используются только для сбора, первичной обработки и передачи сенсорных данных. Внешний вид мотов, выпускаемых различными производителями, приведен на рис. 11.
Рис. 11. Внешний вид мотов
Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами, осуществляется на узле, или шлюзе, который представляет собой достаточно мощный компьютер. Но для того, чтобы обработать данные, их нужно сначала получить. Для этой цели узел обязательно оснащается антенной. Но в любом случае доступными для узла оказываются только моты, находящиеся достаточно близко от него; другими словами, узел не получает информацию непосредственно от каждого мота. Проблема получения сенсорной информации, собираемой мотами, решается следующим образом. Моты могут обмениваться между собой информацией с помощью приемопередатчиков, работающих в радиодиапазоне. Это, во-первых, сенсорная информация, считываемая с датчиков, а во-вторых, информация о состоянии устройств и результатах процесса передачи данных. Информация передается от одних мотов другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу моты сбрасывают ему всю аккумулированную информацию. Если часть мотов выходит из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжаться. Но в этом случае, естественно, уменьшается число источников информации.
Для выполнения функций на каждый мот устанавливается специализированная операционная система. В настоящее время в большинстве беспроводных сенсорных сетей используется TinyOS — ОС, разработанная в Университете Беркли. TinyOS относится к программному обеспечению с открытым кодом; оно доступно по адресу: www.tinyos.net. TinyOS — это управляемая событиями операционная система реального времени, рассчитанная на работу в условиях ограниченных вычислительных ресурсов. Эта ОС позволяет мотам автоматически устанавливать связи с соседями и формировать сенсорную сеть заданной топологии. Последний релиз TinyOS 2.0 появился в 2006 году.
Важнейшим фактором при работе беспроводных сенсорных сетей является ограниченная емкость батарей, устанавливаемых на моты. Следует учитывать, что заменить батареи чаще всего невозможно. В связи с этим необходимо выполнять на мотах только простейшую первичную обработку, ориентированную на уменьшение объема передаваемой информации, и, что самое главное, минимизировать число циклов приема и передачи данных. Для решения этой задачи разработаны специальные коммуникационные протоколы, наиболее известными из которых являются протоколы альянса ZigBee. Данный альянс (сайт www.zigbee.org) был создан в 2002 году именно для координации работ в области беспроводных сенсорных сетей. В него вошли крупнейшие разработчики аппаратных и программных средств: Philips, Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, NEC, LG, OKI и многие другие (всего более 200 членов). Корпорация Intel в альянс не входит, хотя и поддерживает его деятельность. На данный момент ZigBee разработал единственный в этой области стандарт, который подкреплен наличием производства полностью совместимых аппаратных и программных продуктов. Протоколы ZigBee позволяют устройствам находиться в спящем режиме большую часть времени, что значительно продлевает срок службы батареи.
Очевидно, что разработать схемы обмена данными между сотнями и даже тысячами мотов не так-то просто. Наряду с прочим необходимо учесть тот факт, что сенсорные сети работают в нелицензированных частотных диапазонах, поэтому в ряде случаев могут возникать помехи, создаваемые посторонними источниками радиосигналов. Желательно также избегать повторной передачи одних и тех же данных, а кроме того, учитывать, что из-за недостаточной энергоемкости и внешних воздействий моты будут выходить из строя навсегда или на какое-то время. Во всех таких случаях схемы обмена данными должны модифицироваться. Поскольку одной из важнейших функций TinyOS является автоматический выбор схемы организации сети и маршрутов передачи данных, беспроводные сенсорные сети по существу являются самонастраиваемыми.
Чаще всего мот должен иметь возможность самостоятельно определить свое местоположение, по крайней мере по отношению к тому другому моту, которому он будет передавать данные. То есть сначала происходит идентификация всех мотов, а затем уже формируется схема маршрутизации. Вообще все моты — устройства стандарта ZigBee — по уровню сложности разбиваются на три класса. Высший из них — координатор — управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки. В сенсорных сетях обычно используется один координатор. Средний по сложности мот является маршрутизатором, то есть может принимать и передавать данные, а также определять направления передачи. И наконец, самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Таким образом, получается, что стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис. 12). Кластер образуют маршрутизатор и простейшие моты, у которых он запрашивает сенсорные данные. Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и в конечном счете данные передаются координатору. Координатор обычно имеет связь с IP-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки.
Рис. 12. Кластерная архитектура
Укажем, что в первую очередь отличает беспроводные сенсорные сети от обычных вычислительных (проводных и беспроводных) сетей:
• полное отсутствие каких бы то ни было кабелей — электрических, коммуникационных и т.д.;
• возможность компактного размещения или даже интеграции мотов в объекты окружающей среды;
• надежность как отдельных элементов, так и, что более важно, всей системы в целом; в ряде случаев сеть может функционировать при исправности только 10-20% сенсоров (мотов);
• отсутствие необходимости в персонале для монтажа и технического обслуживания.
Сенсорные сети могут быть использованы во многих прикладных областях. Беспроводные сенсорные сети — это новая перспективная технология, и все связанные с ней проекты в основном находятся в стадии разработки. Укажем основные области применения данной технологии:
• системы обороны и обеспечение безопасности;
• контроль окружающей среды;
• мониторинг промышленного оборудования;
• охранные системы;
• мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий;
• управление энергоснабжением;
• контроль систем вентиляции, кондиционирования и освещения;
• пожарная сигнализация;
• складской учет;
• слежение за транспортировкой грузов;
• мониторинг физиологического состояния человека;
• контроль персонала.
Из достаточно большого числа примеров использования беспроводных сенсорных сетей выделим два. Наиболее известным является, пожалуй, развертывание сети на борту нефтяного танкера компании ВР. Там с помощью сети, построенной на основе оборудования Intel, осуществлялся мониторинг состояния судна с целью организации его профилактического обслуживания. Компания BP проанализировала, может ли сенсорная сеть работать на борту судна в условиях экстремальных температур, высокой вибрации и значительного уровня радиочастотных помех, имеющихся в некоторых помещениях судна. Эксперимент прошел успешно, несколько раз автоматически осуществлялись реконфигурация и восстановление работоспособности сети. Примером еще одного реализованного пилотного проекта является развертывание сенсорной сети на базе военно-воздушных сил США во Флориде. Система продемонстрировала хорошие возможности по распознаванию различных металлических объектов, в том числе движущихся. Применение сенсорной сети позволило обнаруживать проникновение людей и автомобилей в контролируемую зону и отслеживать их перемещения. Для решения этих задач использовались моты, оснащенные магнитоэлектрическими и температурными датчиками. В настоящее время масштабы проекта расширяются, и беспроводная сенсорная сеть устанавливается уже на полигоне размером 10 000x500 м. Соответствующее прикладное программное обеспечение разрабатывается несколькими американскими университетами.
Заключение
Данный реферат был посвящен как датчикам в целом, так и “умным датчикам”, на примере “электронного носа” и датчика движения. Также было рассмотрено взаимодействие таких датчиков в сети. Из приведенной информации можно заключить, что современный рынок сенсоров очень разнообразен , а также то, что эти самые датчики способны очень сильно помочь человеку в решении самых разнообразных проблем и сделать нашу жизнь чуточку лучше.
Литература
1. Общие сведения по датчикам - http://traditio-ru.org/wiki/%D0%94%D0%B0%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA
2. Классификация датчиков - http://www.electrolibrary.info/subscribe/sub_16_datchiki.htm
3. “Электронный нос” - http://karliknanos.narod.ru/article/articleR4.html
4. Датчики движения - http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=43
5. Сенсорные сети - http://compress.ru/Article.aspx?id=17950
|
