РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА МОНИТОРИНГА КЛИМАТИЧЕСКИХ ПОКАЗАНИЙ С УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ

REMOTE ACCESS CLIMATE MONITORING DEVICE DEVELOPMENT

Getman Ivan Pavlovich

Student, Department of Industrial Electronics, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Russia, Tomsk

Valeev Karim Rinatovich

Student, Department of Industrial Electronics, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается разработка устройства мониторинга климатических параметров внутри шкафов аппаратуры оповещения населения. Представлен выбор компонентов: микроконтроллер ESP32 [4], датчики BME280 [6], TEMT6000 [5], MQ-9 [7], Ethernet-контроллер ENC28J60 [8]. Разработана схема резервного питания на основе аккумулятора 18650 ёмкостью 2600 мА·ч, зарядного модуля TP4056 и стабилизатора LM317 с автоматическим переключением на микросхеме LTC4412. Создано программное обеспечение в среде Arduino IDE [3], реализующее опрос датчиков с интервалом 5 секунд, пороговую логику, управление светодиодной и звуковой индикацией, вентилятором охлаждения, а также веб-сервер с HTML-страницей и JSON API. Экспериментально подтверждена точность измерений и время автономной работы, составившее 14 часов 20 минут, что удовлетворяет требованиям технического задания [2].

ABSTRACT

The article discusses the development of a climate monitoring device for public warning system equipment cabinets. The selection of components is presented: ESP32 microcontroller [4], BME280 [6], TEMT6000 [5], MQ-9 [7] sensors, ENC28J60 Ethernet controller [8]. A backup power supply circuit based on a 2600 mAh 18650 battery, TP4056 charging module, and LM317 stabilizer with automatic switching on the LTC4412 chip has been developed. Software has been created in the Arduino IDE [3] that implements sensor polling at 5-second intervals, threshold logic, control of LED and sound indication, cooling fan, as well as a web server with an HTML page and JSON API. The measurement accuracy and autonomous operation time of 14 hours and 20 minutes have been experimentally confirmed, which meets the requirements of the technical specifications [2].

Ключевые слова: система мониторинга, климатические показания, удаленный доступ, шкаф оповещения населения, ESP32, BME280, MQ-9, ENC28J60, аккумулятор 18650, веб-сервер, JSON API, автономное питание.

Keywords: monitoring system, climate readings, remote access, public warning cabinet, ESP32, BME280, MQ-9, ENC28J60, 18650 battery, web server, JSON API, autonomous power supply.

Системы централизованного оповещения (СЦО) являются частью единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС). В соответствии с Федеральным законом № 68‑ФЗ [1], в каждом населённом пункте должны быть установлены оконечные устройства оповещения, размещаемые в специализированных шкафах.

Внутри таких шкафов установлено чувствительное оборудование: усилители мощности, резервные аккумуляторы, коммутационные панели и контроллеры. Превышение температуры приводит к перегреву и сокращению ресурса, повышенная влажность вызывает коррозию, наличие горючих газов создаёт взрывоопасную ситуацию. Несанкционированное открытие дверцы может свидетельствовать о попытке хищения или вандализма. В большинстве эксплуатируемых шкафов отсутствует автоматический контроль параметров, а диспетчерская служба вынуждена проводить периодические обходы, что увеличивает время реакции на аварийную ситуацию. Кроме того, часто отсутствует резервное питание для датчиков при пропадании внешнего 12 В, что приводит к потере данных [2].

К микроконтроллеру предъявлены требования: наличие не менее 16 цифровых выводов, не менее 2 аналоговых входов 12 бит, поддержка I²C и SPI, низкое энергопотребление, питание 3,3 В, наличие библиотек для Ethernet. Выбран микроконтроллер ESP32‑WROOM‑32 [4].

Для уменьшения количества задействованных портов выбран датчик BME280 [6], измеряющий температуру, влажность и давление по интерфейсу I²C.

В качестве датчика освещённости выбран TEMT6000 [5], измеряющий интенсивность света в диапазоне от 1 до 1000 люкс. Датчик имеет малый размер, низкое потребление энергии (до 1 мА) и рабочую температуру от –40 до +85 °С.

Для обнаружения горючих газов выбран датчик MQ‑9 [7], чувствительный к метану, пропану и угарному газу. Технические параметры: напряжение питания 3,3–5 В, потребляемый ток не более 150 мА, выходной сигнал аналоговый и цифровой.

Выбран ENC28J60 [8] — SPI-контроллер Ethernet со следующими характеристиками: интерфейс SPI (до 20 МГц), напряжение питания 3,1–3,6 В, ток потребления до 180 мА при передаче, скорость 10 Мбит/с (10BASE‑T), поддержка IEEE 802.3, промышленный температурный диапазон от –40 до +85 °С.

Для резервного питания выбран литий-ионный аккумулятор типоразмера 18650 номинальным напряжением 3,7 В и ёмкостью 2600 мА/ч с встроенной защитой от короткого замыкания и глубокого разряда. Для заряда используется микросхема TP4056 (вход 4,5–5,5 В, зарядный ток до 1 А, защита от перегрева и перезаряда). Повышающий DC‑DC преобразователь MT3608 преобразует напряжение аккумулятора (3,0–4,2 В) в стабилизированные 5 В с КПД до 93 %.Для получения 5 В из внешнего источника 12 В выбран линейный регулируемый стабилизатор LM317. Из ряда Е24 приняты номиналы R1 = 240 Ом, R2 = 750 Ом.

Стабилизатор AMS1117‑3.3 преобразует 5 В в 3,3 В для питания ESP32, ENC28J60, BME280 и других компонентов.

Рисунок 1. Структурная схема питания.

Схема включает: вход 12 В → LM317 (12 В→5 В); выход LM317 подаётся на TP4056 (зарядка 18650) и на вход VIN LTC4412; аккумулятор 18650 → MT3608 (3,7→5 В) → вход SENSE LTC4412; LTC4412 управляет P‑канальным MOSFET, подключая общую шину 5 В к источнику с более высоким напряжением; AMS1117‑3.3 → ESP32 и датчики.

Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная

Программное обеспечение разработано в среде Arduino IDE [3] на языке C с использованием библиотек для датчиков, Ethernet и веб-сервера. ПО реализует:

*Инициализация (функция setup()): *

• Настройка режимов GPIO (входы/выходы);
• Запуск АЦП с разрешением 12 бит;
• Инициализация шины I²C (для BME280);
• Инициализация Ethernet-контроллера ENC28J60 (DHCP или статический IP 192.168.1.28);
• Запуск веб-сервера на порту 80.

*Основной цикл (функция loop()): *

• Опрос датчиков по таймеру (каждые 5000 мс);
• Чтение наличия внешнего питания (аналоговый вход GPIO39);
• Управление миганием и звуком на основе текущих состояний;
• Обновление светодиодов и вентилятора в соответствии с пороговыми флагами;
• Обработка HTTP-клиентов (отдача HTML-страницы, JSON API, управление LED).

При предупреждении — медленное мигание (период 800 мс), звук редкий (каждые 2 с, 1500 Гц, 100 мс). При критике — быстрое мигание (период 200 мс), звук частый (каждые 500 мс, 2500 Гц, 200 мс). Вентилятор включается при tempCritical или gasWarning или gasCritical.

Испытания опытного образца проводились в лаборатории по следующей программе: проверка работоспособности датчиков и точности измерений; проверка срабатывания порогов и работы исполнительных устройств; проверка работы веб-интерфейса и JSON API; проверка автономной работы от аккумулятора.

Проверка измерения температуры, влажности, освещённости

• Температура: в диапазоне 0…+40 °С максимальное отклонение от эталона составило +0,6 °С (погрешность BME280 [6]).
• Влажность: расхождение с образцовым гигрометром не превысило ±3 %.
• Освещённость: TEMT6000 [5] показал отклонение не более ±10 люкс в диапазоне 0–150 люкс, что достаточно для детектирования открывания дверцы (порог 10 люкс).

Калибровка MQ‑9 [7] проводилась на открытом воздухе при 25 °С и влажности 50 %. Принято R0 = 0,51. При подаче газа от зажигалки (пропан) газRatio снизился до 0,4–0,5, что соответствует критическому уровню. Дискретный выход датчика перешёл в LOW при концентрации около 1000 ppm.

Устройство подключено к коммутатору L2. DHCP присвоил IP 192.168.0.142. При открытии браузера загружалась главная страница с актуальными данными. Кнопки LED ON/OFF переключали встроенный светодиод на плате ESP32. JSON API по адресу /api/data возвращал корректный JSON. При отключении Ethernet-кабеля индикатор LINK_LED гас, визуально сигнализируя о проблеме.

Условия теста: полностью заряженный аккумулятор 18650 (2600 мА·ч, 4,2 В), внешнее питание 12 В отключено. Устройство работало в энергосберегающем режиме. Ethernet-трафик — периодические запросы каждые 30 с.

Результат: устройство стабильно работало в течение 14 часов 20 минут, после чего напряжение на аккумуляторе снизилось до 3,0 В, и ESP32 корректно завершил передачу данных. После восстановления 12 В зарядный модуль TP4056 начал заряжать аккумулятор.

Система работала непрерывно 12 часов при комнатной температуре без сбоев. Потребление тока от шины 12 В в штатном режиме составило 380 мА. Дрейф показаний газового датчика за 12 часов не превысил ±0,05 Rs/R0. Ethernet-соединение не прерывалось. Сбросов по watchdog не зафиксировано.

Список литературы:

1. Российская Федерация. Законы. О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: Федеральный закон № 68‑ФЗ: [принят Гос. Думой 11 нояб. 1994 г.] : (ред. от 01.04.2025). – М., 2025. – 42 с.
2. ОС ТУСУР 01‑2021. Работы студенческие по направлениям подготовки и специальностям технического профиля. Общие требования и правила оформления. – Томск: ТУСУР, 2021. – 32 с.
3. Работа с Arduino IDE [Электронный ресурс] // Сайт Алекса Гайвера. – URL: https://alexgyver.ru/lessons/arduino-ide/ (дата обращения: 15.05.2026).
4. ESP32‑WROOM‑32 : микроконтроллер [Электронный ресурс] // Интернет-магазин электроники «Вольтик.ру». – URL: https://voltiq.ru/shop/esp-32s/ (дата обращения:15.05.2026).
5. TEMT6000: датчик освещенности [Электронный ресурс] // Интернет-магазин электроники «Вольтик.ру». – URL: https://voltiq.ru/shop/temt6000-light-sensor/?ysclid=mscqjo35s7163456301 (дата обращения: 15.05.2026).
6. BME280: датчик температуры, влажности и давления [Электронный ресурс] // Интернет-магазин электроники «Вольтик.ру». – URL: https://voltiq.ru/shop/bme280-sensor/?ysclid=mscrm69wan986588297 (дата обращения: 15.05.2026).
7. MQ‑9 : газовый датчик [Электронный ресурс] // Интернет-магазин электроники «Вольтик.ру». – URL: https://voltiq.ru/shop/mq9-gas-sensor/?ysclid=mscr3laqwg599351920 (дата обращения: 15.05.2026).
8. ENC28J60 : Ethernet‑контроллер [Электронный ресурс] // Интернет-магазин электроники «Вольтик.ру». URL: https://voltiq.ru/shop/enc28j60/?ysclid=msd0czkv1u862459646 (дата обращения: 15.05.2026).