РАЗРАБОТКА  МОТОВ  СЕНСОРНОЙ  СЕТИ  ДЛЯ  СИСТЕМЫ  МОНИТОРИНГА  ДЕФОРМАЦИИ  ЗДАНИЙ  И  СООРУЖЕНИЙ

Сергушев  Алексей  Геннадьевич

канд.  техн.  наук,  ведущий  инженер-программист  отдела  систем  безопасности  ОАО  «Авангард»,  г.  Санкт-Петербург

E-mail: 

DEVELOPMENT  OF  SPENDTHRIFTS  THE  TOUCH  NETWORK  FOR  SYSTEM  OF  MONITORING  DEFORMATION  BUILDINGS  AND  CONSTRUCTIONS

Alexey  Sergushev

candidate  of  Science,  Leading  Engineer  Programmer  Systems  of  Safety  department  JSC  «Avangard»,  St.-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Представлены  подходы  к  построению  мотов  сенсорной  сети  для  системы  мониторинга  деформации  зданий  и  сооружений  на  базе  сетевой  технологии  ZigBee.  Рассматривается  идеология  и  архитектура  сенсоров  системы  мониторинга  деформации  и  мотов  на  их  основе  для  построения  сети  ZigBee.

ABSTRACT

Approaches  to  creation  of  spendthrifts  a  touch  network  for  system  of  monitoring  deformations  buildings  and  constructions  on  the  network  ZigBee  technology  are  presented.  The  ideology  and  architecture  of  sensors  system  monitoring  deformation  and  spendthrifts  on  their  basis  for  creation  of  the  ZigBee  network  is  considered.

Ключевые  слова:  беспроводные  сенсорные  сети,  персональные  беспроводные  сети.

Keywords:  wireless  sensor  network,  wireless  personal  area  network.

Базовым  элементом  беспроводной  сенсорной  сети  для  системы  мониторинга  деформации  являются  моты,  представляющие  собой  автономные  миниатюрные  вычислительные  устройства,  снабженные  сенсорами  (датчиками  деформации  и  угла  наклона,  влажности  и  температуры)  и  радиочастотными  трансиверами  [1].

Радиочастотные  трансиверы  построены  на  основе  маломощных  радиочастотных  приемопередатчиков  стандарта  IEEE  802.15.4-2006  нелицензируемого  диапазона  частот  2,4  ГГц.  Дальность  связи  между  соседними  мотами  определяется  условиями  распространения  сигналов  и  может  достигать  800  м.  Благодаря  такому  решению  достигается  более  высокая  степень  надежности  по  сравнению  с  проводной  системой  и  существенно  снижается  стоимость  прокладки  кабельных  линий  связи.

Построение  системы  мониторинга  деформаций  (СМД)  на  базе  технологии  беспроводных  сенсорных  сетей  ZigBee,  в  целом,  позволяет  обеспечить  следующие  преимущества  системы  [2]:

1.  гибкость  конфигурации  при  установке  мотов;

2.  снижение  трудозатрат  на  монтаж,  пусконаладку  и  сопровождение;

3.  простота  наращивания  системы;

4.  высокая  отказоустойчивость.

Поскольку  процесс  деформации  зданий  и  сооружений  очень  медленный  и  только  в  экстренных  ситуациях  требуется  непрерывный  поток  информации,  алгоритм  работы  СМД  позволяет  задавать  интервалы  опроса  датчиков  от  3  секунд  до  3  месяцев.  В  большинстве  случаев  для  мониторинга  объекта  достаточно  1—2  измерений  в  сутки.  При  таком  интервале  опроса  СМД  (при  использовании  штатных  аккумуляторных  батарей)  обеспечивает  получение  информации  о  состоянии  объекта  в  течение  одного  года,  а  при  непрерывном  опросе  датчиков  от  7  до  15  дней.

Структурная  схема  мота  представлена  на  рис.  1  и  является  идентичной  по  отношению  к  каждому  из  используемых  типов  сенсоров:  Ф  —  физическое  или  силовое  воздействие  на  сенсор;  С  —  сенсор  (первичный  преобразователь);  УППИ  —  устройство  приема  и  передачи  информации  (рис.  2)  состоящее  из:  НУ  —  нормирующий  усилитель,  ЧРВ  —  часы  реального  времени,  МК  —  микроконтроллер;  РТ  —  радиотрансивер;  УМП  —  управляемый  модуль  питания;  аккумуляторная  батарея  (АБ),  обеспечивающая  электропитание  мота.  Применяемые  в  мотах  типы  сенсоров  (С)  представлены  на  рис.  3.

Рисунок  1.  Структурная  схема  мота

Рисунок  2.  Устройство  приема  и  передачи  информации  (УППИ)  мота  беспроводной  сенсорной  сети  СМД

Рисунок  3.  Типы  сенсоров  в  составе  мота  СМД

Сенсоры  наклона  (инклинометры)  используются  для  контроля  величины  наклона  объектов  относительно  гравитационного  поля  Земли.  Сенсоры  угла  наклона,  построенные  на  базе  технологии  МЭМС,  имеют  следующие  технические  характеристики:

потребляемый  ток,  мА                                                                           15;

время  включения  и  измерения,  с                                                4;

диапазон  измерения,  угловые  градусы                                      ±15;

абсолютная  погрешность  измерения,  угловые  секунды           30;

диапазон  рабочих  температур,  °C                                              –40…+85.

Для  измерения  линейных  перемещений  элементов  зданий  и  сооружений  в  СМД  используются  тензометрические  сенсоры  деформации  с  полумостовой  СМД-ДТ-1  (рис.  4)  и  мостовой  СМД-ДТ-2П  схемами.  Принцип  действия  тензометрических  сенсоров  деформации  основан  на  изменении  сопротивления  тензочувствительного  резистивного  элемента  при  его  сжатии  или  растяжении.  Потенциометрический  сенсор  СМД-ДП-1  (рис.  5)  используется  для  измерения  линейных  перемещений  элементов  зданий  и  сооружений  в  СМД.  Он  представляет  собой  питаемую  переменным  напряжением  катушку  индуктивности,  выполненную  в  виде  неподвижного  элемента  конструкции,  и  скользящей  по  ней  подвижной  щетки,  с  которой  снимается  выходной  сигнал. 

Рисунок  4.  Общий  вид  мота  беспроводной  сенсорной  сети  ZigBee  на  основе  тензометрического  сенсора  с  полумостовой  схемой  СМД-ДТ-1

Рисунок  5.  Общий  вид  мота  беспроводной  сенсорной  сети  ZigBee  на  основе  потенциометрического  сенсора  СМД-ДП-1

Этот  сенсор  обеспечивает  достаточно  большой  диапазон  измеряемых  линейных  перемещений  и  в  достаточной  мере  удовлетворяет  требованиям  по  точности  и  потребляемой  мощности.  Именно  он  в  основном  используется  в  мотах  СМД.

К  недостаткам  используемого  потенциометрического  сенсора  можно  отнести  старение  потенциометрического  элемента  в  процессе  работы,  что,  в  конечном  счете,  уменьшает  точность  измерения.  В  связи  с  этим  был  разработан  датчик  деформации  индукционного  типа  (патент  РФ  №  2454625).  Сравнительные  характеристики  сенсоров  деформации  приведены  таблице  1.

Таблица  1.

Сравнительные  характеристики  сенсоров

Принцип  действия  индукционного  датчика  СМД-ДП-2  основан  на  том,  что  перемещение,  которое  предполагается  измерить,  передается  на  катушку  воздушного  трансформатора,  которая  излучает  электромагнитное  поле  синусоидальной  формы  с  частотой  до  единиц  мегагерц  на  две  приемные  катушки.  Величина  наводимой  в  приемных  катушках  ЭДС  прямо  пропорциональна  перемещению.  К  недостаткам  сенсора  по  сравнению  с  потенциометрическим  следует  отнести  сложную  внутреннюю  структуру,  приводящую  к  снижению  надежности,  и  повышенное  энергопотребление.

Список  литературы:

1.Беспроводная  сенсорная  сеть  //  Википедия.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B5%D1%82%D1%8C

2.Михайлов  А.Н.,  Молев  Ф.В.,  Балашов  А.В.  Беспроводная  система  конструкционной  безопасности.  —  Сборник  научных  трудов  аспирантов,  соискателей  и  студентов  магистерской  подготовки  ОАО  «Авангард».  Выпуск  4.  ОАО  «Авангард»,  СПб.,  2011,  —  с.  182—194.