RU237217U1 - МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ БЕСПРОВОДНОЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР С ПОДДЕРЖКОЙ LoRa и ДИСТАНЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к промышленной экологии, в частности, к системам экологического мониторинга и контроля за выбросами загрязняющих газообразных веществ. Портативный переносной газоанализатор относится к приборам индивидуального применения в системах мониторинга концентрации загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны и предназначен для автоматического измерения концентрации взрывоопасных, пожароопасных и токсичных газов внутри зданий, территорий промышленных предприятий, горных выработок, колодцев для контроля и обслуживания подземных коммуникаций (канализация, водопровод, газопровод), свалок отходов, автомобильных дорог, а также для оперативного информирования соответствующих служб при возникновении чрезвычайных ситуаций. Устройство состоит из съемных газовых датчиков с цифровыми калиброванными выходными сигналами, микропроцессорного модуля, трех радиомодемов, использующих нелицензируемые частотные радиодиапазоны, два из которых широкополосные Wi-Fi и Bluetooth с общей антенной интегрированы в чип микропроцессора, и третий модем LoRa, элементов питания с модулем взрывозащиты и позволяет расширить функциональные возможности арсенала технических средств газового мониторинга для случаев отсутствия в зоне мониторинга систем электроснабжения и кабельного телеизмерения. В устройство дополнительно введены датчик измерения давления, влажности и температуры окружающей воздушной среды, поплавок для защиты от попадания воды при опускании в колодец на тросе, сигнальный светодиод, информирующий об отсутствии опасных концентрации вредных веществ, добавлена возможность питания от внешнего источника при работе в стационарных условиях. Техническим результатом является повышение точности, расширение функциональности, области применения и надежности, появление расширенных возможностей для развертывания на основе аналогичных устройств беспроводных мобильных сенсорных сетей.

Description

Полезная модель относится к промышленной экологии, в частности к системам экологического мониторинга и контроля за выбросами загрязняющих газообразных веществ. Портативные переносные газоанализаторы относятся к категории средств индивидуальной защиты и предназначены для защиты персонала от опасностей, связанных с присутствием в рабочей зоне газов опасных для человека токсичных, пожароопасных и взрывоопасных, и используются для оперативного тестирования зон перед входом в них персонала. Эти небольшие устройства играют важную роль, поскольку они являются единственным средством непрерывного мониторинга зоны дыхания оператора (как в неподвижном состоянии, так и в движении). В некоторых случаях требуется дистанционное зондирование состава воздушной атмосферы объектов, таких как колодцы, до спуска в них персонала.

По патенту RU 67720 U1 известен переносной газоанализатор дистанционного зондирование состава воздушной атмосферы в технологических и канализационных колодцах, содержащий два модуля, один из которых измерительный спускаемый, а другой транспортный, при этом в измерительном спускаемом модуле расположены хотя бы один чувствительный элемент - датчик, измерительное устройство и блок светозвуковой сигнализации, а в транспортном модуле расположены источник электрической энергии и блок светозвуковой сигнализации, причем измерительное устройство соединено с чувствительными элементами-датчиками, блоками светозвуковой сигнализации и источником электрической энергии, а измерительный спускаемый модуль снабжен светодиодным датчиком (индикатором), сигнализирующем о включении газоанализатора в рабочее состояние и его исправном функционировании, он снабжен симплексным переговорным устройством, один из блоков связи которого расположен в измерительном спускаемом модуле, а другой блок связи расположен в транспортном модуле.

Переносной газоанализатор снабжен дополнительным модулем тревожной сигнализации, содержащим смонтированные в едином корпусе приемник радиосигнала, блок питания и блок светозвуковой сигнализации, и передатчиком радиосигнала, который расположен в транспортном модуле и соединен с источником электрической энергии и блоком светозвуковой сигнализации в транспортном модуле.

Недостатками известного устройства является низкая точность и ограниченная область применения вследствие отсутствия коррекции показаний от влияния на них параметров окружающей среды (температура, давление, влажность). Область применения ограничивается только контролем превышения пороговых значений концентраций определяемых компонентов в воздушной среде технологических и канализационных колодцах на небольшое расстояние передачи радиосигнала примерно 10 метров. Кроме того, газоанализатор не защищен от попадания воды, которая, как правило, присутствует в канализационных колодцах, на сенсоры газоанализатора, что чревато их повреждением.

По патенту RU 112428 U1 известен газоанализатор, в состав которого входят два модуля, первый из которых (модуль А) отвечает за сбор информации о наличие в среде токсичных и взрывоопасных веществ и включает в себя один многокомпонентный или несколько, чувствительных к определенному типу газа, датчиков, подключенных к микроконтроллеру, а второй модуль Б предназначен для индикации результатов измерения. В качестве модуля Б выступает любое переносное мобильное устройство типа сотовый телефон, смартфон, коммуникатор или ноутбук с установленным программным приложением, обеспечивающим управление модуля сбора, индикацию концентрации газа и оповещение о превышении допустимых норм. В качестве интерфейса подключения модуля А применяется приемопередатчик Bluetooth. По протоколу Bluetooth данные передаются последовательно, поэтому для преобразования параллельного кода, несущего информацию о концентрации газа, в последовательный используется сдвиговый регистр. Питание выносного модуля А обеспечивается батареями типа AAA.

Недостатками известного устройства является низкая точность и ограниченная область применения вследствие отсутствия коррекции показаний от параметров окружающей среды (температура, давление, влажность), а также небольшое расстояние передачи данных измерений (примерно 10 м) и только на одно устройство, невозможность применения газоанализатора в беспроводных сетях.

Наиболее близким к заявленному в качестве полезной модели портативному беспроводному газоанализатору по совокупности существенных признаков является переносной беспроводной газоанализатор MultiRAE Lite "https://www.gda-ntp.ru/multigazovye-gazoanalizatory/multirae-lite".

Определяемые газы: Летучие органические соединения (VOC), СН₄, СО. Беспроводной интерфейс: Wi-Fi, GPS, передача данных в реальном времени.

Особенности:

Встроенный GPS для отслеживания местоположения.

Возможность подключения до 5 сенсоров.

Дополнительная возможность беспроводного доступа к показаниям MultiRAE Pro значительно повышает уровень безопасности на объекте благодаря тому, что руководители и специалисты по технике безопасности могут отслеживать показания устройств и информацию о состоянии системы сигнализации, откуда угодно в режиме реального времени. Эта функция повышает осведомленность о текущей обстановке и ускоряет реагирование на события.

Датчик:

1. Каталитический сенсор и сенсор (NDIR) для горючих газов;

2. Электрохимические сенсоры для токсичных газов и кислорода;

3. Фотоионизационный сенсор (ФИД/PID) для летучих органических соединений (ЛОС);

4. Недисперсионный инфракрасный сенсор (NDIR) для углекислого газа (CO₂). Аккумулятор:

1. Перезаряжаемый ионно-литиевый аккумулятор (время работы - около 12 ч для модели с насосом и 18 ч для диффузной модели; повторная зарядка - менее 6 ч);

2. Ионно-литиевый аккумулятор повышенной емкости (время работы - около 18 ч для модели с насосом и 28 ч для диффузной модели: повторная зарядка - менее 9 ч);

3. Щелочной адаптер с 4 батарейками АА (время работы - около 6 ч для модели с насосом и 8 ч для диффузной модели).

Оповещение:

1. Беспроводная удаленная система сигнализации;

2. Акустическая 95 дБ на расстоянии 30 см;

3. Вибрационное устройство

4. Визуальная (мигание ярко-красных светодиодов) и экранная индикация опасных ситуаций;

5. Сигнал аварийной ситуации с предварительным уведомлением и удаленным беспроводным оповещением в режиме реального времени.

Черно-белый графический ЖК-дисплей (128×160) с подсветкой и функцией автоматического поворота экрана

Показания на дисплее: замеры концентрации газов в режиме реального времени:

1. включение и выключение сигнала аварийной сигнализации, состояние аккумулятора;

2. включение и выключение регистрации данных, включение и выключение беспроводного доступа. Значения STEL, TWA, пиковое и минимальное значения.

Единица измерений объемные доли. Возможно показание измерений в массовых концентрациях мг/м³.

Отбор проб при помощи встроенного насоса или методом диффузии.

Регистрация данных (круглосуточно в течение 6 месяцев для 5 датчиков с интервалом в 1 минуту), настраиваемые интервалы регистрации данных (от 1 до 3600 с).

Загрузка данных, настройка устройства и обновления на ПК в процессе зарядки через компьютер, в режиме соединения испытательного стенда с ПК, а также с помощью дорожного зарядного устройства или системы AutoRAE 2 для автоматического тестирования и калибровки;

Беспроводная передача данных, а также информации о состоянии системы сигнализации с помощью встроенного радиомодема (приобретается дополнительно).

Беспроводная система безопасности ProRAE Guardian, работающая в режиме реального времени, или встроенная замкнутая система Echo View.

Частота беспроводной связи: безлицензионные частоты для использования в промышленных, научных и медицинских целях (868 МГц или 900 МГц).

Недостатками известного газоанализатора является низкая точность и ограниченная область применения вследствие отсутствия коррекции показаний от параметров окружающей среды (температура, давление, влажность). Частоты радиомодема газоанализатора: 868 МГц или 900 МГц (ISM-диапазон) зависят от страны, в которой используется прибор, и выбираются по отдельному заказу в соответствии с правила определяющими выбор рабочих частот. Реализация радиопередачи возможна только после приобретения дополнительного комплекта специализированного оборудования, что существенно увеличивают стоимость применения беспроводной передачи измерительной информации и возможность интегрирования газоанализатора в беспроводную сеть только одного специализированного типа, предлагаемого производителем. Передача данных осуществляется по беспроводному каналу на расстояние 200 м. Все вышеперечисленное серьезно ограничивают область применения беспроводной передачи данных газоанализаторов. Например, отсутствует возможность перепрошивки газоанализатора по радиоканалу, отсутствует возможность интегрирования его в широко используемые в настоящее время типов беспроводных сетей и радиодиапазонов, например, Wi-Fi, Bluetooth, LoRaWAN и т.п.

Сущность полезной модели

Целью полезной модели является повышение точности и расширение области применения портативного беспроводного газоанализатора.

Для получения достоверных и точных измерений концентрации определяемого компонента газовой среды газоанализатор должен учитывать влияние на результат измерения нескольких ключевых параметров окружающей среды в рабочем диапазоне:

Влияние температуры, давления и влажности на показания газоанализатора зависит от принципа его работы (оптический, электрохимический, термокаталитический, полупроводниковый и др.), а также от способа выражения концентрации (массовая или объемная).

1. Влияние на результат определения концентрации целевого компонента, выраженного в объемных долях (ppm, об.%). Объемная доля (например, ppm, об.%) - это отношение объема целевого газа к общему объему газовой смеси.

1.1. Давление (Р). Для идеального газа: PV=nRT→при постоянной температуре объем обратно пропорционален давлению. Если давление растет, объем газа уменьшается, а количество молекул в единице объема увеличивается. Без коррекции показания будут занижены (если прибор калиброван при более низком давлении).

1.2. Температура (Т). При нагреве газ расширяется (V-T), что уменьшает количество молекул в единице объема. Если газоанализатор не термокомпенсирован, показания будут занижаться при повышении температуры. Электрохимические датчики особенно чувствительны к температуре (скорость химической реакции растет с ростом Т).

1.3. Влажность (Н₂О). Водяной пар разбавляет газовую смесь, уменьшая объемную долю других газов.

Например, если влажность увеличивается с 0% до 50%, показания СО₂ (в ppm) могут снизиться на 2-5%. Газоанализаторы с осушением пробы или алгоритмами компенсации влажности игнорируют этот эффект.

2. Влияние на массовые концентрации (мг/м³, г/см³)

Массовая концентрация - это масса газа в единице объема. Зависит от плотности газа ρ, которая меняется с Р и Т.

2.1. Давление (Р)

При увеличении давления плотность газа ρ растет, поэтому массовая концентрация увеличивается.

,

где Р - давление газа;

М - молярная масса;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - температура (в Кельвинах).

Пример: если давление увеличивается в 2 раза, массовая концентрация также вырастет в ~2 раза.

2.2. Температура (Т)

При нагреве плотность газа падает (ρ~1/Т), поэтому массовая концентрация уменьшается.

Пример: если температура растет с 20°С до 40°С, массовая концентрация снизится на -7%.

2.3. Влажность (H₂O)

Водяной пар имеет меньшую молярную массу, чем многие газы. При высокой влажности общая плотность газовой смеси снижается, что может привести к занижению массовой концентрации.

Для электрохимических, термокаталитических, оптических и полупроводниковых сенсоров изменения температуры (Т) и влажности (H₂O) приводят к изменению их коэффициента преобразования (чувствительности) по сравнению с калибровкой в нормальных условиях. Рассмотрим влияние на каждый тип сенсора отдельно.

Для элекрохимических сенсоров скорость электрохимической реакции зависит от температуры (увеличивается с ростом Т по закону Аррениуса). Изменение Т может вызывать смещение фонового тока. При повышении Т выходной сигнал (ток) может расти даже при той же концентрации газа

Например, сенсор СО, откалиброванный при 20°С, при 40°С может показывать на 10-20% выше реальной концентрации.

Влияние влажности (Н₂О) на электролит: Высыхание или разбавление электролита меняет его проводимость. Полярные газы (NH₃, SO₂) конкурируют с Н₂О за сорбицию, что снижает чувствительность. Например, при влажности 90% сенсор NO₂ может давать на 15-30% меньше сигнала, чем при 50%.

Для термокаталитических сенсоров (например, для СН₄, горючих газов) Каталитическая активность зависит от Т, при низких Т чувствительность падает, при высоких может быть перегрев. Из-за теплоотвода изменение окружающей Т влияет на стабильность работы.

Например, сенсор метана при -10°С может иметь чувствительность на 25% ниже, чем при 20°С. Водяной пар может блокировать активные центры катализатора. Высокая влажность ускоряет деградацию сенсора. При 80% влажности термокаталитический сенсор пропана может терять до 40% чувствительности. Коррекция чувствительности достигается при подогреве сенсора до постоянной Т.

У оптических сенсоров (ИК, лазерные, УФ) влияние температуры (Т) приводит к уширению или сдвигу спектральных линии при изменении Т (особенно для диодных лазеров). Влияние на детектор связано с температурным шумом фотодиода.

Влияние влажности (H₂O) связана с конденсацией на оптике, которая искажает сигнал. Поглощение в УФ/ИК-диапазоне: Н₂О мешает измерению газов с близкими полосами (например, СН₄ в присутствии паров воды). Полупроводниковые сенсоры (MOS). Проводимость оксида сильно зависит от Т (экспоненциально). При разных Т может реагировать на другие газы.

Например, сенсор SnO₂ для Н₂ при 30°С и 60°С может иметь разную чувствительность, отличающуюся в 2-3 раза.

Влияние влажности (H₂O) связана с адсорбцией на поверхности - водяной пар конкурирует с целевым газом. Возможны ложные срабатывания сигнализации, так как высокая влажность часто воспринимается как "газ".

Таким образом, для компенсации погрешностей, связанных с тем, что для расчета массовой концентрации требуется знание таких параметров воздушной среды как температура и давление необходимо ввести в газоанализатор калиброванный датчик давления, температуры и влажности, а также провести калибровку газоанализатора для всего диапазона значений указанных параметров воздушной среды, при которых будет производиться эксплуатация прибора. Наибольший эффект может быть достигнут при коррекции показаний по давлению, так как от давления эта зависимость линейная и сильно зависит от высоты над уровнем моря, например, в высокогорье атмосферное давление в несколько раз отличатся от нормального, что практически исключает применение известных газоанализаторов.

Раскрытие полезной модели

Технической задачей полезной модели является повышении точности измерений концентрации целевых компонентов газовой среды в широком диапазоне изменений параметров среды портативного беспроводного газоанализатора, расширения области его применении для мониторинга состава газовой среды включая высокогорье, глубокие шахты, технологические и канализационные колодцы оперативного информирования соответствующих служб при применение в качестве средства индивидуальной безопасности, а также интегрирования его в мобильные беспроводные сети различного типа и возможности последующей передачей данных в сети сотовой связи (GSM) и интернет, для проведения газового мониторинга.

Сущность изобретения состоит в том, что портативный беспроводной газоанализатор индивидуального применения для оперативного измерения концентрации определяемых веществ в воздухе рабочих зон, обеспечивающий сбор и индикацию данных о концентрации определяемых веществ, а также оповещающий звуковым, световым, вибро- и радиосигналами о превышении сигнальных уровней концентраций определяемых компонентов, включающий источник питания с модулем взрывозащиты, измерительный модуль, представляющий собой один или несколько съемных датчиков определяемых веществ с калиброванным цифровым выходным сигналом, подключенный к микроконтроллеру, позволяющему управлять сбором данных от датчиков и записью их в энергонезависимую память, включающий также графический дисплей, кнопки управления, модуль радиомодемов, использующих нелицензируемые частотные радиодиапазоны, модуль геолокации, соединенные с микроконтроллером, при этом в качестве микроконтроллера используется модуль ESP32-S3-WROOM с интегрированными в него модулями Wi-Fi, BLE с общей РСВ-антенной, в качестве радиомодема используется модуль LoRa, в измерительный модуль добавлен цифровой модуль измерения параметров воздушной среды температуры, давления, влажности, подключенный к микроконтроллеру, корректирующему по полученным от модуля данным и градуировочным данным значения концентраций определяемых веществ. При этом в него дополнительно введен светодиод, подключенный к выходу микропроцессора, управляющего сигнализацией об отсутствии превышения сигнальных уровней концентраций определяемых веществ при выключения питания графического дисплея в энергосберегающем режиме работы, а также он дополнительно снабжен тросом и поплавком для установки и фиксации в нем газоанализатора при проведении дистанционных измерений в технологических колодцах, поплавок оснащен прозрачной крышкой, исключающей прямое попадание водяных капель на газоанализатор при опускании его в колодец с помощью троса и пропускающей оптическое излучение сигнальных светодиодов, а также снабженной скобой для крепления троса. В него также добавлен электронный коммутатор для обеспечения возможности его питания от внешнего источника, а в качестве энергонезависимой памяти для записи данных от датчиков применяется и SD-карта.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Блок-схема портативного беспроводного газоанализатора.

Фиг. 2 - 3D-чертеж сборочных узлов портативного беспроводного газоанализатора.

Фиг. 3 - 3D-чертеж сборочных узлов поплавка для дистанционного зондирования воздушной среды технологических и канализационных колодцев с помощью портативного беспроводного газоанализатора.

Фиг. 4 - Чертеж поплавка в разрезе с установленным в него портативного беспроводного газоанализатора.

На чертежах изображены:

1 - Портативный беспроводной газоанализатор;

2 - Винт;

3 - Скоба;

4 - Прозрачная крышка из ударопрочного пластика;

5 - Поплавок из пенопласта (пенополистирол);

6 - Винт;

7 - Гайка запрессовочная;

8 - Светодиод красный - сигнализация превышения порогов;

9 - Цветной графический TFT дисплей 1.77'';

10 - Датчик газа, сменный, калиброванный;

11 - Датчик давления, влажности, температуры с цифровым калиброванным выходом ВМЕ280;

12 - Светодиод зеленый - сигнализация отсутствия превышения порогов;

13 - Аккумуляторы типоразмера 18650 емкостью по 3000 мА/ч;

14 - Плата контроллера;

15 - Модуль питания (плата);

16 - Кнопки управления;

17 - Наклейка защитная (гибкая панель) с прозрачными окнами для оптического излучения, создаваемого сигнальными светодиодами 8, 12 и графическим дисплеем 9;

18 - Расширенная Flash память объемом до 16 МБ;

19 - Модуль взрывозащитный;

20 - DC-DC-преобразователь с выходным напряжением 3, 3В;

21 - Электронный коммутатор (выключатель);

22 - Модуль зарядки аккумуляторов;

23 - Розетка USB;

24 - Модуль поддержки обмена данными с компьютером;

25 - МикроSD-карта;

26 - Звуковой генератор;

27 - Вибромотор;

28 - Радио модуль LoRa;

29 - Антенна (LoRa);

30 - Модуль GNSS;

31 - Обвязка микроконтроллера;

32 - Микроконтроллер ESP32-S3;

33 - Модуль Wi-Fi;

34 - Модуль Bluetooth LE;

35 - Радиочастотный интерфейс 2,4 ГГц (RF-блок ESP32-S3);

36 - Антенна РСВ;

37 - Микроконтроллерный модуль ESP32-S3-WROOM.

Осуществление полезной модели

Пример 1.

Портативный беспроводной газоанализатор состоит из корпуса (размером 128×69×38 мм) в котором размещены модуль питания 15 на двух Li-ion аккумуляторах 13 с модулем зарядки 22. Контакты аккумуляторов соединены со входом DC - DC преобразователя 20 с выходным напряжением 3,3 В, которое через модуль взрывозащитный 19 поступает для питания всех электронных блоков прибора. Модуль взрывозащитный 19 ограничивает ток и напряжение на выходе до безопасных значений в случае критических повреждений электронных компонентов прибора при его эксплуатации, приводящие к опасному росту тока и напряжения. И в случае отсутствия таких ограничений могут привести к взрыву, если концентрация взрывоопасных веществ в воздухе превысит нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР).

Измерительный модуль включает четыре сменных калиброванных датчиков газов 10 О₂, H₂S, СН₄, СО₂. В датчике О₂ применен электрохимический сенсор, диапазон измерений 0-30% объемных долей. В датчике H₂S применен электрохимический сенсор, диапазон измерений 0-100 млн^-1 объемных долей с возможностью пересчета в массовую концентрацию в мг/м³. В датчике СН4 применен оптический сенсор, диапазон измерений 0-100% НКПР. Кроме того, в измерительный модуль введен датчик 11 давления, влажности, температуры ВМЕ280 с цифровым калиброванным выходом, интерфейсы подключения: I²C (до 3,4 МГц) и SPI (до 10 МГц).

Диапазоны измерений:

Давление: 300-1100 гПа (погрешность ±1 гПа).

Температура: -40… +85°С (погрешность ±0,5…1°С).

Влажность: 0 100% (погрешность ±3%).

Кроме того, газоанализатор оснащен модулем GNSS (Global Navigation Satellite System) 30 типа Quectel L86, который позволяет определять местоположение, скорость и время с помощью сигналов со спутников. Применяется модификация L86-M33, поддерживающая системы GNSS GPS, ГЛОНАСС, Galileo, QZSS со встроенной патч-антенной.

Основные характеристики:

1. Потребляемая мощность: захват 26 мА, отслеживание 22 мА, режим ожидания 1,0 мА, резервное копирование: 7 мкА.

2. Тип приемника: GPS L1 1575,42 МГц С/А Code, GLONASS L1 1598,0625-1605,375 МГц С/А Code, 99 каналов поиска, 33 одновременных канала отслеживания,

3. Чувствительность: захват -148 дБм, повторный захват -160 дБм, отслеживание -165 дБм.

4. Источник питания: 3 В-4,3 В.

5. Частота обновления: до 10 Гц, 1 Гц по умолчанию.

6. Точность сигнала 1PPS: типичная точность: <15 не, ширина временного импульса 100 мс.

7. Точность ускорения: без помощи 0,1 м/с².

8. Динамические характеристики: максимальная высота 18000 м, максимальная скорость 515 м/с, ускорение 4G.

9. Порт UART: TXD1 и RXD1 поддерживают скорость передачи данных от 4800 бит/с до 115200 бит с, по умолчанию 9600 бит/с.

10. Точность измерения скорости: 0,1 м/с.

11. Диапазон рабочих температур: -40-85°С.

В качестве микроконтроллерного модуля 37 в газоанализаторе применен ESP32-S3-WROOM - это мощный Wi-Fi/Bluetooth-модуль на базе микроконтроллера ESP32-S3 32, интегрирлванный в кристалл, от Espressif, предназначенный для 1оТ-устройств (Internet of Things, интернет вещей - это сеть физических устройств, подключенных к интернету и обменивающихся данными без участия человека), портативной электроники и беспроводных сетей.

Wi-Fi 33 модуль в ESP32-S3 - это мощный и гибкий компонент, обеспечивающий беспроводную связь.

ESP32-S3 использует Wi-Fi 4 (802.1 In) на частотах 2,4 ГГц и включает:

Двухъядерный процессор Xtensa LX7 (для управления сетью и приложениями).

Wi-Fi MAC и Baseband - аппаратная реализация протоколов Wi-Fi.

RF-трансивер - отвечает за передачу и прием сигналов.

Встроенный стек TCP/IP обработка сетевых пакетов без нагрузки на CPU.

Поддержка одновременной работы Wi-Fi и Bluetooth 5 (LE).

Протоколы для связи с внешними устройствами

ESP32-S3 поддерживает:

Wi-Fi протоколы:

802.11b/g/n (до 150 Мбит/с в режиме 802.11n).

WPA/WPA2/WPA3 (безопасность).

ESP-NOW - протокол для низколатентного обмена данными

Сетевые протоколы:

TCP/IP, UDP, HTTP, HTTPS, MQTT, WebSocket (для IoT).

mDNS (Multicast DNS) - для обнаружения устройств в локальной сети.

DHCP (клиент/сервер) - автоматическое назначение IP.

Типы сетей, поддерживаемые ESP32-S3

1. STA (Station) Mode

Подключение к роутеру как клиент.

Поддерживает DHCP, автоматическое пере подключение.

2. АР (Access Point) Mode

Создание своей точки доступа (до 10 подключений).

Можно использовать как Wi-Fi роутер для других устройств.

3. STA+AP Mode (одновременная работа)

Может быть и клиентом, и точкой доступа.

Полезно для шлюзовых решений (например, передача данных через Wi-Fi и локальное управление).

4. ESP-NOW

Протокол от Espressif для низколатентной связи (до 250 байт за пакет).

Работает без подключения к роутеру.

5. Mesh-сети (с дополнительным ПО)

Поддержка ESP-WIFI-MESH (устройства образуют самоорганизующуюся сеть).

ESP-WIFI-MESH - это протокол от Espressif, позволяющий устройствам на базе ESP32 объединяться в децентрализованную самоорганизующуюся сеть без зависимости от роутера.

Размер сети (количество узлов)

Теоретически - до 1000 узлов (ограничено памятью и пропускной способностью).

Практически - 32-100 узлов (зависит от нагрузки и глубины сети).

Рекомендуемый размер - до 50 узлов для стабильной работы.

Дальность связи

Прямая связь между узлами - до 100-200 м (в открытом пространстве).

С ретрансляцией (многоскачковая сеть) теоретически неограниченно (но каждый "скачок" добавляет задержку).

Факторы, влияющие на дальность:

Мощность передатчика (до 20 дБм у ESP32-S3).

Помехи (стены, другие Wi-Fi-сети).

Структура сети ESP-WIFI-MESH

Сеть строится по иерархической топологии:

Root Node (Корневой узел)

Главный узел, обычно подключенный к интернету (через Wi-Fi или Ethernet).

Координирует работу сети.

Может быть только один в сети.

Leaf Nodes (Концевые узлы)

Не ретранслируют данные, только отправляют/принимают.

Подключаются к родительским узлам.

Intermediate Nodes (Промежуточные узлы)

Ретранслируют данные от других устройств.

Могут быть одновременно родителями и детьми в иерархии.

ESP32-S3 поддерживает Bluetooth 34:

Bluetooth Low Energy (BLE 5.0)

Низкое энергопотребление

Поддержка расширенных возможностей BLE 5.0 (увеличенная скорость, дальность)

Работа в роли Central (клиент) и Peripheral (сервер)

Поддержка Bluetooth Mesh (сетевые топологии)

Bluetooth Mesh

Основан на BLE

Позволяет создавать масштабируемые сети устройств

Протоколы и профили BLE для связи с внешними устройствами

ESP32-S3 поддерживает стандартные BLE-протоколы и может работать с различными профилями:

Основные протоколы BLE:

GAP (Generic Access Profile) - управление подключением (реклама, сканирование, соединение).

GATT (Generic Attribute Profile) обмен данными через сервисы и характеристики.

ATT (Attribute Protocol) передача данных в формате "клиент-сервер". Поддерживаемые профили и сервисы:

Custom GATT-сервисы (создаваемые пользователем)

HID over GATT (HOGP) для клавиатур, мышей, джойстиков.

ANCS (Apple Notification Center Service) - уведомления с iOS.

BAS (Battery Service) - передача уровня заряда батареи.

DIS (Device Information Service) информация об устройстве.

FMP (Find Me Profile) - поиск устройств.

ESP-NOW- альтернативный протокол для быстрой связи между ESP-устройствами.

Для расширения возможностей беспроводной связи и области применения газоанализатора за счет увеличений дальности передачи в газоанализатор введен модуль 28 с антенной 29 на микросхеме Semtech SX1278 связи LoRa (Long Range) - это технология беспроводной связи, предназначенная для передачи данных на большие расстояния с низким энергопотреблением. Она использует метод модуляции CSS (Chirp Spread Spectrum), который обеспечивает высокую устойчивость к помехам и хорошую проникающую способность сигнала, который обеспечивает высокую устойчивость к помехам и хорошую проникающую способность сигнала.

Технология LoRaWAN относится к категории LPWAN, подходящей для приложений с большим радиусом действия и низким энергопотреблением. Это запатентованная и открытая сеть, управляемая LoRa Alliance. LoRaWAN использует не лицензируемый частотный спектр, а диапазон частот отличается в зависимости от местоположения. Например, Северная Америка использует диапазон 915 МГц, Европа использует 868 МГц, а Азия использует диапазоны 433 МГц и 169 МГц. В России и в этом газоанализаторе используются диапазоны 433 МГц и 868 МГц опционально.

Основными преимуществами технологии LoRaWAN являются:

Низкое энергопотребление: LoRaWAN потребляет мало энергии, поскольку использует схему радио модуляции LoRa и имеющие большой радиус действия: устройства LoRaWAN могут обмениваться данными на расстоянии более 15 км в пределах прямой видимости.

Использование не лицензируемого частотного спектра: устройства LoRaWAN используют для своей работы не лицензируемый частотный спектр, что делает их открытым сетевым протоколом и создает возможность встраивание газоанализатора в существующие сети.

LoRaWAN - сетевой протокол для построения IoT-сетей.

Основные компоненты:

End Devices (датчики) - отправляют данные.

Gateways (шлюзы) - принимают данные и передают в облако.

Network Server - управляет сетью, устраняет дублирование.

Application Server - обрабатывает данные. Raw LoRa

Прямая передача данных без LoRaWAN (например, точка-точка или простые mesh-сети).

Альтернативные протоколы

MQTT поверх LoRa (для легковесных сообщений).

Mesh-протоколы (Ripple, LoRaMesh).

Mesh - устройства ретранслируют данньге.

Точка-точка (Р2Р) - прямое соединение двух устройств.

То есть газоанализатор обладает более широким арсеналом возможностей (по сравнению с аналогами, в том числе благодаря применению микропроцессора ESP32-S3-WROOM) по беспроводной передаче данных измерений на значительные расстояния, использует открытые беспроводные протоколы, что позволяет применять совместно с ним недорогое беспроводное стандартное оборудование, такое как смартфон, Wi-Fi роутер для входа в интернет и доступные облачные сервисы и соответственно открывает возможность для доступа к данным в режиме реального времени из любой точки мира.

А это означает, что бригада работников, оснащенная этими газоанализаторами, может создать несколькими способами мобильную беспроводную сеть, осуществляющую мониторинг атмосферы на опасном производстве на значительной площади с дистанционной передачей измерительной информации по концентрации определяемых газов, с данными о местоположении каждого работника с передачей в интернет и доступные облачные сервисы без применения дополнительного специализированного оборудования и специализированного программного обеспечения, что снижает затраты по развертыванию такой сети по сравнению с аналогами.

Кроме сигнализации и передачи данных измерений по беспроводным радиотехнологиям в газоанализаторе имеются световая 8, 12, звуковая 26 и вибросигнализация 27, а также вывод данных на графический дисплей 9, непрерывная запись результатов измерений в расширенную Flash память 16 МБ 18 и дополняющую ее микро SD-карту 25 с цель увеличения периода хранения данных и повышения надежности их хранения. Через встроенный в микроконтроллер USB-модуль, а также USB-розетку 23 газоанализатор может быть подключен к компьютеру для обновления программ микроконтроллера и передачи, хранящихся в памяти прибора данных. Кроме того, для расширения области применения для решения специфических задач, сервисного обслуживания в комплект газоанализатор штатно или опционально входят следующие устройства и приспособления:

1. Калибровочный колпачок для подачи ПГС при поверке или калибровке.

2. Поплавок 5 с прозрачной крышкой 4 и тросом для дистанционного зондирования технологических и канализационных колодцев для повышения надежности за счет исключения выхода сенсоров от попадания воды, скапливающейся на дне колодцев.

3. Насос для дистанционного забора проб газа в труднодоступных местах.

4. Зарядное устройство аккумуляторов газоанализатора.

5. Искробезопасный источник питания для длительного применения газоанализатора как стационарного прибора.

Газоанализатор работает следующим образом. Включение производится нажатием средней клавиши. Интерфейс пользователя состоит из дисплея, светодиодов, звукового сигнала тревоги и трех клавиш. При включении тестируется уровень заряда аккумулятора, если уровень заряда недостаточен, звучит звуковой сигнал, мигают все светодиоды и прибор отключается. После чего аккумулятор следует зарядить. Во время обычного запуска производится тестирование датчиков и других систем газоанализатора, включается подсветка дисплея, после чего идет проверка сигнализации, воспроизводится звуковой сигнал, вибрация, а светодиоды мигают несколько раз. На экране дисплея отображаются информационные экраны с текущими настройками. После окончания прогрева на дисплей выводится основной экран, на котором отображается основная измерительная информация о включенных датчиках газа, показания значений концентрации, температуры, влажности, давлении, уровней радиосигналов, уровня заряда аккумуляторов, о состоянии GNSS модуля и информация о спутниках, о процессе записи результатов измерений в SD-карту и отображается текущее время. Если в течение заданного времени пользователь не нажал ни одной кнопки для изменения режимов работы прибора, прибор продолжит работу в заданном режиме по проведению измерений записи данных в постоянную память, также передавать данные по беспроводным каналам в соответствии текущими настройками. Если в течение заданного времени не произошло событий, таких как превышения порогов или поступления информации (сообщений) по беспроводным каналам, подсветка дисплея отключается (для экономии заряда аккумулятора) и начинает мигать зеленый светодиод, сигнализируя о том, что прибор работает штатно и значения концентраций не достигли пороговых уровней. При достижении пороговых значений концентрации определяемых газовых компонентов включается световая сигнализация (начинают мигать красные светодиоды), отключается мигающий зеленый светодиод, включается звуковая сигнализация и вибрация, включается подсветка дисплея, и красный фон под цифровыми значениями, показывающими превышения порогов. Кроме основного режима, есть еще несколько, это настройка параметров и режимов с помощью меню. Режимы работы устанавливаются пользователем путем выбора соответствующего, пункта меню. Например, режим вывода на дисплей сообщений и данных, полученных от других устройств по беспроводным каналам. Режим просмотра записей результатов измерений, записанных в постоянную память газоанализатора. Режим обмена данными компьютером по проводам через USB розетку, включая прошивку микроконтроллера. Режим обновление прошивки микроконтроллера газоанализатора ESP32-S3-WROOM по воздуху OTA (Over-The-Air) и через облако (Cloud OTA) позволяет загружать новые версии программного обеспечения (ПО) без физического подключения к компьютеру с помощью кабеля. Рассмотрим оба способа.

1. OTA (Over-The-Air) через Wi-Fi (локальное обновление), ESP32 получает новую прошивку по Wi-Fi (например, из локальной сети или через веб-интерфейс).

Для загрузка новой прошивки через ОТА необходимо скомпилировать прошивку в Arduino IDE (Sketch→Export Compiled Binary) и отправить.bin файл на ESP32-S3-WROOM: через инструменты Arduino IDE (Tools→ESP32 Sketch Data Upload).

2. Cloud OTA (через облако: Blynk, AWS, MQTT) ESP32-S3-WROOM проверяет наличие обновлений в облаке (Blynk, AWS IoT, собственный сервер), скачивает новую прошивку и перезаписывает старую.

Режим передачи данных измерений газоанализатора в облачные сервисы, это дает возможность для доступа к данным газоанализатора из любой точки мира. В качестве примера такого сервиса рассмотрим Blynk. После запуска приложения Blynk на компьютере или смартфоне создаем свой проект на ESP32-S3 (или ESP32, если S3 нет в списке). Добавляем виджеты Gauge или Label для отображения данных с датчиков газоанализатора. Graph для визуализации истории. Настраиваем виджеты на чтение. Можно подключить микроконтроллер газоанализатора ESP32-S3 -WROOM к Blynk через роутер или напрямую через смартфон без использования роутера, для этого есть несколько способов в зависимости от возможностей смартфона и прошивки ESP32-S3-WROOM. Р1апример, смартфон используется как точка доступа (Wi-Fi Flotspot) микроконтроллер газоанализатора ESP32-S3-WROOM подключается к этой сети и отправляет данные в Blynk через мобильный интернет.Blynk позволяет создавать мобильные и веб-интерфейсы для управления ESP32-S3-WROOM без программирования, поддерживает Wi-Fi, Ethernet, GSM, LoRaWAN. Дает доступ к данным с датчиков через графики, уведомления и виджеты. Газоанализатор может также использовать альтернативные облачные платформы, например, MQTT Broker (HiveMQ, Mosquitto)-легкий обмен сообщениями между ESP32, Fireba -хранение показаний газоанализаторов.

Пример 1.

Учет влияния внешних факторов температуры, давления влажности проведен на примере датчика горючих газов с каталитическим сенсором. Для этого применяют его экспериментальную калибровку. Газоанализатор помещают в климатическую камеру, где регулируются по показаниям датчика ВМЕ280 температура (-40°С…+70°С), влажность (5...95% RH), давление (например, 500… 1200 мбар). Для каждой комбинации условий измеряют отклик на калибровочный газ (например, 50% НКПР метана), Данные измерений заносят во Flash память газоанализатора и(или на SD-карту), также передают в персональный компьютер и строят поправочные кривые или таблицы. На основе экспериментальных данных создают алгоритм коррекции:

Линейная/полиномиальная регрессия.

Нейросетевые модели (если зависимости нелинейные).

Пример формулы для коррекции:

где C_corr - скорректированная концентрация;

C_raw - сырое значение с датчика;

k_T, k_H, k_P - коэффициенты влияния температуры, влажности и давления.

Пример реальных коэффициентов влияния температуры, влажности и давления на термокаталитический сенсор

Для термокаталитических сенсоров, используемых в газоанализаторах, зависимость от внешних условий может быть выражена через поправочные коэффициенты. Рассмотрим конкретный пример на основе данных из технической документации и исследований.

1. Влияние температуры

Коэффициент температурной коррекции:

Для типичного термокаталитического сенсора (например, датчика метана) изменение температуры на 1°С может приводить к отклонению показаний на 0,1-0,5% НКПР.

Пример формулы коррекции:

где C_corr- скорректированная концентрация;

C_raw - исходные показания;

k_T - температурный коэффициент (например, 0,003°С^-1);

Т - текущая температура;

T_cal - температура калибровки (обычно 20°С).

Экспериментальные данные:

При повышении температуры с 20°С до 50°С показания могут увеличиться на 5-10% НКПР из-за ускорения каталитической реакции.

2. Влияние влажности

Коэффициент влажностной коррекции:

Высокая влажность (>80% RH) может снижать чувствительность на 2-8% НКПР из-за блокировки доступа газа к катализатору.

Пример поправки:

где k_H - влажностный коэффициент;

RH - текущая влажность;

RH_cal - влажность при калибровке (обычно 50% RH).

Зависимость от конденсации:

При 100% RH (конденсат) погрешность может достигать 15% НКПР.\

3. Влияние давления

Коэффициент давления:

Давление влияет линейно при изменении от 80 кПа до 120 кПа отклонение составляет 21%

Формула коррекции:

где Р - текущее давление;

P_cal - давление при калибровке (обычно 101,3 кПа).

Отметим также, что при большем изменении значений нормального атмосферного давления над уровнем моря, согласно Международной стандартной атмосфере (ISA) при отсутствии коррекции по показаниям датчика ВМЕ280 погрешность измерений достигнет 50% на высоте 5000 м.

Таким образом, калибровка газоанализатора по ПГС при давлениях от нормального до 50 кПа, позволит расширить область его применения на высотах над уровнем моря до 5000 м, например, на беспилотных летательных аппаратах с непрерывной регистрацией данных на SD-карту и передачей их по радиоканалу по технологии LoRa.

Пример 3.

Перед проведение дистанционного зондирования атмосферы в водоканализационном или технологическом колодце, используя меню газоанализатора, устанавливают последовательную передачу данных измерений по BLE на смартфон, с установленным на нем приложении, в реальном времени. Проще всего использовать приложение nRF Connect (для Android) или LightBlue (для iOS) для проведения тестирования и визуализации данных. Для создания своего приложения можно использовать Flutter или MIT Арр Inventor. Перед спуском в водоканализационный или технологический колодец устанавливают газоанализатор в поплавок из пенопласта 5, закрывает его прозрачной крышкой из ударопрочного пластика 4 с помощью винтов 6, подсоединяет к скобе 3 трос (или шнур) с карабином на конце и опускают в колодец, контролируя состояние визуально по светодиодной сигнализации и по показаниям, выводимым на дисплей смартфона. При контакте с водой поплавок 5 не дает газоанализатору погрузиться, а крышка 4 исключает прямое попадание водяных брызг на сенсоры газоанализатора, и, следовательно, исключают выход из строя газоанализатора, повышая его надежность.

В течение всего времени проведения работ газосигнализатор должен оставаться включенным и проводить непрерывный контроль загазованности воздушной среды в водоканализационном колодце. Мигающие зеленые светодиоды сигнализируют об отсутствии превышения пороговых значений концентраций, определяемых газоанализатором опасных газовых компонентов.

Claims (5)

1. Портативный беспроводной газоанализатор индивидуального применения для оперативного измерения концентрации определяемых веществ в воздухе рабочих зон, обеспечивающий сбор и индикацию данных о концентрации определяемых веществ, а также оповещающий звуковым, световым, вибро- и радиосигналами о превышении сигнальных уровней концентраций определяемых компонентов, включающий источник питания с модулем взрывозащиты, измерительный модуль, представляющий собой один или несколько съемных датчиков определяемых веществ с калиброванным выходным сигналом, подключенных к микроконтроллеру, позволяющему управлять сбором данных от датчиков и записью их в энергонезависимую память, включающий также графический дисплей, кнопки управления, модуль радиомодемов, использующие нелицензируемые частотные радиодиапазоны, модуль геолокации, соединенные с микроконтроллером, отличающийся тем, что в качестве микроконтроллера используется модуль ESP32-S3-WROOM с интегрированными в него модулями Wi-Fi, BLE с общей РСВ-антенной, в качестве радиомодема используется модуль LoRa, в измерительный модуль добавлен цифровой модуль измерения параметров воздушной среды температуры, давления, влажности, подключенный к микроконтроллеру, корректирующему по полученным от модуля данным и градуировочным данным значения концентраций определяемых веществ.

2. Портативный беспроводной газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен светодиод, подключенный к выходу микропроцессора, управляющего сигнализацией, об отсутствии превышения сигнальных уровней концентраций определяемых веществ при выключении питания графического дисплея в энергосберегающем режиме работы.

3. Портативный беспроводной газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен тросом и поплавком для установки и фиксации в нем газоанализатора при проведении дистанционных измерений в технологических колодцах, поплавок оснащен прозрачной крышкой, исключающей прямое попадание водяных капель на газоанализатор при опускании его в колодец с помощью троса и пропускающей оптическое излучение сигнальных светодиодов, а также снабженной скобой для крепления троса.

4. Портативный беспроводной газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в него добавлен электронный коммутатор для обеспечения возможности его питания от внешнего источника.

5. Портативный беспроводной газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве энергонезависимой памяти для записи данных от датчиков применяется SD-карта.