Система беспроводных инфракрасных датчиков для долговременного мониторинга концентрации газов
Проект нацелен на создание комплекса для долговременного автономного мониторинга уровня концентрации газов на основе высокочувствительных газовых сенсоров (метан, этан, углекислый, угарный газы, окись азота и т.д.) и системы сбора, обработки и передачи данных.
Над созданием системы работает объединенный коллектив сотрудников Высшей школы физики и технологий материалов (ИММиТ) под руководством А.В. Семенча, лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» (ПСПОД) Центра НТИ под руководством М. В. Болсуновской и ООО «Микросенсор» под руководством Н.Д. Стоянова. Амбициозный проект объединяет сильные стороны организаций-участников в области материаловедения, приборостроения и технологий потоковой обработки данных.
В создаваемых датчиках применяются микролинзы на основе легкоплавкого халькогенидного стекла, которые наносятся на поверхность инфракрасных (ИК) свето- и фотодиодов. В рамках исследования были разработаны составы халькогенидных стекол с набором уникальных физико-химических свойств: широкая область спектральной прозрачности, низкое значение температуры перехода в вязкотекучее состояние, устойчивость к атмосфере, высокий уровень адгезии к поверхности полупроводникового чипа.
Физический механизм работы данных датчиков основан на принципах абсорбционной спектроскопии, в качестве поглощающих агентов могут выступать различные газы, в том числе атмосферные. Спектральная область излучения/поглощения полупроводниковой оптопары определяет типы детектируемых газов, таких как метан и этан (3,20 – 3,45 мкм), углекислый и угарный газы (4,20 – 4,80), диоксид азота (3,40 – 3,45), аммиак (2,85 – 3,15) и т.д. Коллективом ВШ Физики и технологий материалов ИММИТ разрабатывается уникальная технология капсулирования микролинз строго определенной формы с использованием инструментов технического зрения и нейросети. Индустриальным партнером проекта выступает производитель газовых сенсоров ООО «Микросенсор Технолоджи», которая крайне заинтересована в отмеченной технологии, поскольку с ее помощью удается повысить внешний квантовый выход ИК оптопары в 5-10 раз. Разрабатываемая технология адаптирована для серийного выпуска изделий под технические требования заказчика.
Перед специалистами Лаборатории ПСПОД Центра НТИ СПбПУ стоит задача по созданию системы сбора и обработки информации, получаемой с газовых датчиков, а также передачи данных по беспроводным сетям. Основными требованиями к системе являются обеспечение долговременности ее работы и полной автоматизации процесса мониторинга.
Проведенный на данный момент анализ наименее энергозатратных вариантов реализации системы показал, что ключевой характеристикой беспроводной сети является используемая частота. В России доступны следующие безлицензионные диапазоны для WPAN: 433 МГц, 868 МГц, 2400 МГц. Для реализации системы выбрана частота 868 МГц, так как она обеспечивает более высокую пропускную способность, чем 433 МГц. Также данная частота позволяет оптимизировать размеры датчика за счет возможности использования антенны меньшего размера.
Разрабатываемая система состоит из индивидуальных датчиков и шлюза низкопотребляющей локальной беспроводной сети (LRWPAN). Данный стандарт беспроводной связи обеспечивает большую дальность передачи и высокую энергоэффективность (отношение переданного объема полезных данных к затраченной энергии). Информация с датчиков собирается на шлюзе и далее передается на сервер.
Программное обеспечение шлюза позволяет выполнять следующие функции:
- Сбор данных с газовых датчиков по беспроводной сети LRWPAN в режимах передачи необработанных данных и в режиме передачи только первичных характеристик (результатов агрегации данных непосредственно на датчике).
- Управление беспроводной сетью датчиков, обеспечение подключения новых датчиков, отслеживание их работы, передача конфигурационных сообщений, удаленное обновление ПО на датчиках.
- Передача данных в информационную систему.
Реализация проекта рассчитана на один год. Уже выполнены работы по тестированию датчиков CH4, CO2 и O2.
В настоящее время для тестирования датчиков завершается разработка автоматизированного газосмесительного стенда, совмещенного с ИК Фурье-спектрометром и многоходовой газовой кюветой. Отмеченный стенд позволит проводить высокоточное измерение характеристик газовых сенсоров.
До конца 2020 года участники проекта планируют исследовать возможности применения данного решения не только на промышленных предприятиях, но и в других отраслях, таких, как медицина, охрана окружающей среды, экологический контроль, ЖКХ и др.
«Актуальность данного аппаратно-программного решения заключается в модернизации уже апробированной ранее системы для дальнейшего расширения области применения, – отмечает руководитель лаборатории ПСПОД Центра НТИ СПбПУ Марина Владимировна Болсуновская. – В том же промышленном секторе есть множество прикладных задач, которые можно решить посредством внедрения уже существующих в других отраслях технологий. Проверка гипотезы их применимости требует проведения испытаний и доработок существующих технологий».
«Важным является тот факт, что в разрабатываемом комплексе исключительно высокий уровень российских технологий. Это создание чипа диода, разработка химического состава материала линзы и технологии ее нанесения, система сбора и обработки данных, схемотехника. Таким образом, мы работает над комплексным, многогранным проектом, который имеет важное практическое значение для медицины и экологии и имеет высокий экспортный потенциал», — считает руководитель проекта Александр Вячеславович Семенча.
Работа поддержана Проектом повышения конкурентоспособности 5-100 в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого «Разработка биофункциональных стеклообразных и композитных материалов для сенсоров носимой электроники».
