Bezdrátové senzory - laboratorní úloha

Transkript

1 Závěrečná zpráva o výsledku řešení projektu FRVŠ 426/2012 Řešitel: Spoluřešitel: Tematická skupina/specifikace: Pracoviště: Dotace FRVŠ: Příspěvek VŠCHT Praha: Ing. Ladislav Fišer, Ph.D. Ing Michal Karlík F1/a Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Fakulta chemicko-inženýrská Běžné náklady: ,- Kč Běžné náklady: ,- Kč 1. Současný stav řešeného problému Laboratoře měřicí a řídicí techniky (= předmět N444020) jsou nedílnou součástí výuky předmětu N Měřicí a řídicí technika a patří mezi disciplíny, které dotvářejí inženýrský profil absolventa technické vysoké školy. Na VŠCHT Praha poskytuje tento předmět posluchačům základní znalosti o měření, regulaci a počítačovém řízení procesů chemických a potravinářských technologií, laboratorní výuka pak doplňuje i potřebné praktické dovednosti. Protože problematika bezdrátového přenosu signálu je velice moderní záležitost, úloha tohoto typu v našich laboratořích doposud chyběla. Zařazením této nově vybudované úlohy rozšíříme praktickou výuku o další moderní a rychle se rozvíjející způsob přenosu signálu z provozních čidel, který se používá v průmyslové praxi. 2. Cíle řešení V současné době dosáhl rozvoj elektroniky takového stupně, že je ekonomicky výhodnější signál ze senzorů, umístěných po technologii, přenášet radiovým signálem, než po technologii realizovat kabeláž. Proto se vyvíjí celá řada radiových sítí, pro přenos signálu. Pro měření a regulaci procesu se jeví jako jedna z perspektivních senzorová síť podle standardu IEEE , nazývaná také ZigBee. Cílem projektu je inovace a modernizace laboratoří měřicí a řídicí techniky tím, že se doplní třemi novými laboratorními stanicemi pro úlohu Bezdrátové senzory I, která bude vyučována v Laboratoři měřicí a řídicí techniky a jednou laboratorní stanicí pro úlohu Bezdrátové senzory II, která se bude vyučovat v laboratořích k předmětu Měřicí technika. Posluchačská laboratoř tak bude rozšířena o moderní stanice, na kterých si studenti vyzkouší práci se senzorovou sítí podle

2 normy IEEE (ZigBee). Bude tak vyplněna oblast, která díky svému rychlému rozvoji, v našich posluchačských laboratořích zatím chyběla, což jsme cítili jako nedostatek, chceme-li se ve výuce držet aktuálních trendů. Nové laboratorní úlohy seznámí studenty s moderními provozními snímači, které odpovídají současnému stupni technického vývoje, seznámí je i s jejich možnostmi, nastavováním a způsobem instalace. Tím směřujeme k našemu globálnímu cíli budovat a udržovat moderní laboratoř měřicí a řídicí techniky, kde se naši studenti seznámí s moderní a v praxi používanou instrumentací. Nedílnou součástí řešení tohoto projektu je i příprava návodů a učebních textů. 3. Postup a způsob řešení Řešení projektu v podstatě probíhalo v souladu s návrhem projektu s jedinou výjimkou. Plánované panelové zobrazovací přístroje DP již firma Jakar electronics (zástupce OMEGA Engineering) nedodává a proto bylo nutné hledat odpovídající náhradu. Jako vhodná náhrada, srovnatelná vlastnostmi i cenou, byly nalezeny panelové zobrazovací přístroje dodávané firmou Logitron s.r.o. s označením XA100C 5 AU. Standardním postupem bylo požádáno o tuto změnu, která mi byla schválena, viz příloha 1. Stanice pro úlohu Bezdrátové senzory I jsou zhotoven ve třech exemplářích, aby se na nich mohli vystřídat všichni studenti, procházející laboratořemi; zároveň současná výuka tří pracovních skupin je efektivní z hlediska pedagoga. Stanice pro Bezdrátové senzory II je budována jednou, je plánována pro menší počet studentů a využívá části stanic Bezdrátové senzory I. 3.1 Nákup zařízení V rámci projektu bylo nutno zakoupit přístroje a materiál na zhotovení laboratorních pracovních stanic. V první řadě se jednalo o nákup přístrojů s bezdrátovým přenosem signálu podle standardu IEEE (ZigBee). Zde bylo nakoupeno přesně podle přihlášky a to: 3x UWTC-1 bezdrátový vysílač signálu termočlánku 3x KQSS-316G18 termočlánkový senzor k UWTC-1 3x UWPC-2-nemá bezdrátový vysílač unifikovaného signálu 0 až 10 V 3x UWTC-REC4-ma přijímač 48 signálů série UWxC, se 4 analogovými výstupy 4 až 20 ma a 4 dvoupolohovými (alarmovými) výstupy 1x UWRH-2 vysílač teploty a relativní vlhkosti 1x UWTC-REC2-D-V2 kontrolní přijímač senzorové sítě Pro zobrazování přenášených veličin na straně přijímače byly nakoupeny v souladu s povolenou změnou digitální panelové zobrazovací přístroje XA100C 5 AU (červený displej LED, rozsah displeje 1999, vstupní signál 4 až 20 ma, napájení 230V) v počtu 12 kusů (po 4 kusech na každou ze 3 úloh). Na vysílací i přijímací straně jsou přístroje umístěny do panelů ve stojáncích z konstrukčního

3 systému ITEM. Nákup materiálu ITEM byl v souladu s plánem v přihlášce projektu. Zároveň byl nakoupen drobný spojovací materiál a nástroje, nutné k sestavení stojánků a panelů s přístroji. Pro generování signálů byly zakoupeny elektronické součástky pro sestavení modelu pícky a generování analogového unifikovaného signálu. Pro snadné a reprodukovatelné řízení časového průběhu byly pro řízení modelu pícky a generování analogového signálu zakoupeny a použity vývojové kity Arduino. Pro úlohu, která má simulovat situaci při budování, či kontrole sítě bezdrátových senzorů byl v souladu s přihláškou projektu zakoupen NB Del-Vostro V tomto případě byla dodržena cena, protože model, vybavení a dodavatel jsou dány výběrovým řízením na dodavatele výpočetní techniky, které VŠCHT musí mít a dodržovat. Pro tisk dokumentů souvisejících s projektem a hlavně návodů k laboratorním úlohám byl zakoupen toner do tiskárny. 3.2 Stavba laboratorních stanic Konstrukční systém ITEM je při dobře rozmyšlené objednávce více méně stavebnice a pro sestavení stačí základní nářadí a možnost řezat závity, proto vlastní sestavení zvládl řešitel svépomocí. Prototypovou a provozní dílnu ÚFMT využil řešitel pouze pro vyfrézování otvorů pro přístroje do panelů. Pro laboratorní úlohu Bezdrátové senzory II byl přijímač vestavěn do kufříku, aby korespondoval s mobilním vybavením. Fotografie laboratorních stanic jsou v návodech v přílohách N1 a N2. Relativně pracnou součástí vývoje laboratorních stanic byl vývoj elektroniky generující rozumný časový průběh signálů. Model pícky by jistě šlo řídit časovacím obvodem s využitím její tepelné setrvačnosti; s generováním rozumného průběhu analogového signálu pro UWPC je to složitější, a proto po několika nepřesvědčivých pokusech s integrovanými obvody NE555 a integrátory s operačními zesilovači byl raději zvolen kit Arduino. Jedná se o kit s mikrořadičem, a open-source vývojovým prostředím, takže jej lze snadno programovat ve vyšším programovacím jazyce, nazývaným wiring, podobným jazyku C. Kit disponuje digitálními i analogovými vstupy a výstupy, tak se pro generování požadovaných průběhů dobře hodí. U modelu pícky se využívá její tepelné kapacity a podle programu je zapínána, či vypínána, unifikovaný signál je generován pomocí PWM pseudoanalogového výstupu, jeho hodnota je počítána podle vzorce z času od startu programu. Nečekané a dost náročné bylo oživení SW k UWxC přístrojům. K modulům dodaný i aktuální z webu výrobce stažený SW má své nedostatky a bez konzultací s technickou podporou se nedařilo připojit a nastavit jednotlivé UWxC moduly. Ani dodaná dokumentace a SW, ať z přiložených CD, či aktuální verze manuálu a SW na webu výrobce nejsou zcela verzemi kompatibilní. Pro úlohy Bezdrátové senzory I se využívají počítače, které již v laboratoři měřicí a řídicí techniky jsou. K úloze Bezdrátové senzory II byl koupen v souladu se zadáním projektu NB. Pro úlohy Bezdrátové senzory I i Bezdrátové senzory II byly vypracovány návody, které jsou jednak k dispozici v přílohách N1 a N2, jednak na webové stránce ústavu:

4 pod položkou projekty. Učební texty jsou v laboratoři a pro půjčení studentům na domácí studium připraveny i v tištěné a svázané formě. 3.2 Ověření laboratorních stanic jejich začlenění do učebního plánu Laboratorní úloha Bezdrátové senzory I byla zkušebně zařazena do výuky specializace Inženýrská informatika a řízení procesů již v zimním semestru 2012/13, jednak pro ověření srozumitelnosti návodu, jednak by bylo škoda současným studentům již neukázat tuto moderní instrumentaci. S pravidelným zařazením prací Bezdrátové senzory I do výuky předmětu Laboratoř měřicí a řídicí techniky (předmět N444020) v bakalářském studiu na FCHI a magisterském studiu pro část studentů FPBT se počítá od letního semestru školního roku 2012/13. Úloha Bezdrátové senzory II bude zařazena do výuky v rámci laboratoří k předmětu Měřicí technika (N444021) v magisterském studijním programu Inženýrská informatika a řízení procesů od zimního semestru 2013/ Výsledky a výstupy řešení projektu Hlavním výsledkem projektu je modernizace vybavení Laboratoře měřicí a řídicí techniky na Ústavu fyziky a měřicí techniky VŠCHT v Praze tím, že se vytvořila nová laboratorní úloha Bezdrátové senzory I, ve třech exemplářích, pro studenty předmětu Měřicí a řídící technika. Pro studenty specializace Inženýrská informatika a řízení procesů byla vytvořena nová laboratorní úloha Bezdrátové senzory II. Laboratorní úlohy budou využity: V bakalářském studiu strukturovaného studia ve 3. Ročníku pro studenty FCHI, v povinném předmětu N Laboratoř měřicí a řídicí techniky (50 až 70 studentů) V magisterském studiu ve volitelném předmětu N Laboratoř měřicí a řídicí techniky (5 až 20 studentů) V magisterském studiu specializace Inženýrská informatika a řízení procesů v povinném předmětu N Měřicí technika (5 až 10 studentů) Informace o projektu a všechny učební texty jsou na webové stránce ústavu: pod položkou projekty. Návody jsou ještě umístěny v sekci elektronické učební pomůcky, která je ale přístupná pouze po přihlášení. Pro praktický provoz v laboratořích byly připraveny i návody v tištěné formě. O zkušenostech s novými laboratorními úlohami bude podána informace na konferenci SKAKaI 2013, nebo Principia Cybernetica 2013.

5 5. Komentář k výkazu hospodaření s přidělenými prostředky Výkaz hospodaření je v systému ISAAR, odpovídající tabulky byly v papírové podobě odevzdány i na děkanátě FCHI. U sumárních položek nákladů nedošlo k žádné změně proti přihlášce. Sumární položky upřesňují následující tabulky: Tab. 1 Čerpání běžných nákladů z dotace FRVŠ, částky jsou zaokrouhlené na tisíce Tab. 2 Čerpání běžných nákladů ze spoluúčasti VŠCHT, částky jsou zaokrouhlené na tisíce Závěrem lze konstatovat, že čerpání finančních prostředků probíhalo v souladu s rozpočtem v přihlášce projektu a všechny finanční prostředky byly vyčerpány. 6. Seznam příloh P1 povolení změny modelu zobrazovacích přístrojů P2 P3 N1 Návod pro úlohu Bezdrátové senzory I N2 Návod pro úlohu Bezdrátové senzory II TZP