Technická univerzita v Liberci Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Evidenční list funkčního vzorku stupeň utajení: bez utajení Funkční vzorek Distribuovaný měřicí systém pro měření teplot Číslo projektu: FR-TI1/362 Číslo výsledku: Funkce, útvar Jméno Datum Podpis Autor: Technický pracovník, LAN Ing.Miloš Hernych Garant Spoluřešitel projektu za TUL Doc.Ing.Milan Hokr, Ph.D. Schválil Vedoucí LAN Prof.Dr.Ing.Jiří Maryška, CSc.
1) rok uplatnění výsledku: 2012 2) jazyk výsledku: CZE 3) anotace výsledku: 4) celkový počet tvůrců výsledku: 1 5) počet domácích tvůrců: 1 6) seznam tvůrců výsledku: Miloš Hernych 7) kód oboru výsledku 8) návaznost na projekt: FR-TI1/362 9) poddruh výsledku: funkční vzorek 10) interní kód produktu: DMS1 11) lokalizace výsledku: TUL 12) kategorie výsledku podle nákladů na jeho dosažení: do 5ti mil. 13) vlastník výsledku (IČ, název, stát): 46747885, Technická univerzita v Liberci, ČR 14) povinnost získání licence: ano, licenční poplatek ne Popis Distribuovaný měřicí systém pro monitoring teplot slouží ke snímání, on line vizualizaci a archivaci teplot prostředí, hornin, kapalin, povrchů materiálů a podobně. Je možné jej nasadit všude tam, kde je potřeba v dosahu desítek až stovek metrů bezdrátově snímat větší množství teplot s přesností až kolem 0,1 stc. Skládá se z 3 částí modulu snímačů, vysílacího modulu a modulu přijímacího a archivačního. Modulů snímačů a vysílacích modulů může být v konkrétní aplikaci použito až několik desítek, přičemž každý z nich může pracovat až několika desítkami, případně i stovkami teploměrů. Maximální množství použitých teploměrů je dáno požadovanou frekvencí snímání, přijímací a archivační modul může rozlišit až desítky tisíc teplotních čidel. Primární určení je monitoring pomalu se měnících běžných teplot (minimálně -55, maximálně +125 stc) s periodou vzorkování minut až hodin v nepříliš rozsáhlých lokalitách, daných dosahem bezdrátového signálu. Vzhledem k rozměrům systému je ale možné i využití při měření teplot na pohybujících se dílech strojů a podobně. Výhodou systému je univerzalita, s kterou se dá každé konkrétní aplikaci individuálně přizpůsobit počet a rozložení snímačů, způsob jejich ochrany před nepříznivými vlivy okolí, perioda snímání či způsob napájení. Vzhledem k použitým teplotním snímačům, které nepotřebují A/D převodníky ani dedikované vedení ke každému čidlu, je rozšiřování počtu měřicích bodů jednoduché a levné. Díky použitému algoritmu zpracování naměřených dat, způsobu práce se snímači a vysílacímu protokolu je možné vysílací a snímačové moduly libovolně kombinovat, případně za provozu připojovat, odpojovat či zaměňovat.
Nadřazený sběrnicový systém Přijímací a archivační modul Počítač Lokální archivace Vysílací modul 1 Vysílací modul 2 Vysílací modul n Měřicí modul 1 Měřicí modul 2 Měřicí modul n Obr.1 Principiální schéma distribuovaného systému Modul snímačů Jádrem tohoto modulu jsou digitální snímače teploty Maxim Integrated DS18B20, příp. další s nimi kompatibilní snímače (DS1822 a podobně). Tyto snímače pracují s rozlišením max. 1/16 stc v pracovním rozsahu -55 až +125 stc. Výrobce udává přesnost 0,5-2 stc, kalibrací je však možné dosáhnout přesnosti výrazně vyšší. Každý snímač je přímo od výrobce individualizován 64bitovým unikátním kódem, pomocí kterého se identifikuje a díky kterému je možné s ním adresně komunikovat. Zásadní výhodou těchto snímačů a důvodem jejich použití je jejich nízká cena (30-50 Kč/kus), nízká spotřeba, možnost napájení napětím od 3,0 V a zejména připojení až několika desítek kusů na jednu třívodičovou sběrnici typu linie nebo hvězda. Lze tak vytvářet prakticky libovolnou strukturu bodového měření teplot, uzpůsobenou konkrétní aplikaci, od liniové (například měření teplotního pole ve vrtu, stratifikace teploty v kapalinách apod.) přes maticovou (měření rozložení teploty na povrchu sledovaného objektu) až po prostorovou (např. rozložení teplot vzduchu v prostoru). Modul snímačů nemá vlastní napájení, to je spolu s ošetřením vyčítání údajů o teplotě zajištěno vysílacím modulem. Při praktickém nasazení je třeba zajistit dostatečnou ochranu snímače a přívodních vodičů proti mechanickým, tepelným a chemickým vlivům prostředí při zachování možnosti přenosu tepla na pouzdro snímače. Provedení ochrany proto závisí na způsobu použití a je třeba jej řešit individuálně pro každou konkrétní aplikaci. Modul snímačů je dále potřeba vybavit rozhraním pro připojení vysílacího modulu. Při aplikacích v terénu se osvědčily šroubovací průmyslové konektory Amphenol řady ECOMATE s krytím až IP67, je však možné i modul snímačů a vysílací modul integrovat do jednoho funkčního celku. Vysílací modul Tento modul slouží k načítání aktuálních hodnot, naměřených jednotlivými teploměry připojeného modulu snímačů, a jejich odvysílání pomocí bedrátového vysílače k archivačnímu modulu. Vysílací
modul se skládá z elektronického obvodu s jednočipovým mikroprocesorem, vysílače s anténou a napájecího obvodu. Mikroprocesor je použit jednoduchý a levný 8bitový Microchip PIC16F887, může být ale použit prakticky libovolný jiný vhodný procesor s obdobnými výkonovými parametry. Aplikace, běžící v mikroprocesoru, dokáže identifikovat každý jednotlivý snímač teploty modulu snímačů, připojeného přes společné rozhraní, a z tohoto snímače načíst okamžitou hodnotu teploty. Tuto informaci následně přes vysílací obvod odešle k dalšímu zpracování. Podle způsobu použití je možné modul nakonfigurovat tak, aby buď pracoval nepřetržitě a cyklicky odesílal naměřené hodnoty teplot, nebo se probouzel jednou za předvolenou časovou jednotku, odvysílal informace a přešel do spánku s minimální spotřebou energie. Vysílací obvod je tvořen miniaturním hybridním vysokofrekvenčním modulem TX868FSK1 s frekvenční modulací, pracujícím na frekvenci 868,3 MHz, která je vyhrazena pro bezlicenční provoz podobných zařízení. Napájení modulu je 2,2-3,5 V, vysílací výkon 10 dbm, spotřeba při vysíláni 15 ma, komunikační rychlost 4800 BPS, délka vysílání informace o jednom čidle asi 20 ms. V případě nasazení většího množství modulů v jedné lokalitě je možné nechat odvysílat každou informaci několikrát v pseudonáhodných časových intervalech a snížit tak pravděpodobnost nepřijetí informace v důsledku vzájemného rušení vysílajících modulů. V komunikačním protokolu je mj. přenášen 64bitový kód snímače, informace o naměřené teplotě a aktuální hodnota napájecího napětí vysílacího modulu. Podle použité antény je ve volném terénu možné počítat s dosahem desítek až stovek metrů (s jednoduchou všesměrovou anténou), případně i kilometrů při použití směrových antén. Napájení vysílacího modulu je bateriové, buď pomocí 2 až 3 tužkových baterií AA nebo AAA nebo například z olověného akumulátoru 12 V, ideálně přes DC/DC měnič. S tužkovými bateriemi by mě vysílací modul vydržet v provozu řádově týdny až měsíce za předpokladu vysílání údajů v minutových a delších intervalech. Provozní rozsah teplot je u elektroniky -20 až +85 stc, u baterií individuálně dle hodnot deklarovaných výrobcem. Modul je vhodné chránit před působením vnějších vlivů instalací do ochranného pouzdra, případně krabičky se zvýšeným krytím. Modul přijímací a archivační Úkolem modulu je přijímat na frekvenci 868,3 MHz vysílání jednotlivých vysílacích modulů, identifikovat přenesenou informaci a přiřadit údaje ve správném kontextu. Dále setříděné informace data archivovat na lokální paměťové médium a v případě připojení k nadřazenému systému, buď počítači, který by pomocí speciální aplikace mohl data vizualizovat, nebo. Jádrem modulu je 32bitový jednočipový mikroprocesor řady Microchip PIC32MX, jehož firmware vyhodnocuje data z modulu přijímače TX868FSK1. V okamžiku přijetí zprávy provede kontrolu její platnosti a v případě správnosti následně prohledá databázi čidel. Pokud čidlo nalezne, aktualizuje jeho záznam, tedy teplotu a časovou značku, kdy byla poslední zpráva od čidla přijata. V předvolených časech pak ukládá kompletní informaci o čase, čidlech a teplotách na lokální archivační médium (mikrosd karta) do CSV souborů, strukturovaných dle použitých modulů snímačů. Pokud jsou zaznamenány snímače, které nejsou v databázi uvedeny, archivují se separátně. Setříděná data jsou dále odesílána na USB rozhraní, na které je možné se připojit s libovolným počítačem s USB portem. Rozhraní je z praktických důvodů osazené převodníkem FTDI FT232RL, protože jeho ovladače jsou již ve většině operačních systémů standardně k dispozici (Linux od jádra 2.4, Windows Vista a dále), pro starší verze OS jsou na Internetu zdarma ke stažení. Ovladače vytvoří v počítači při prvním připojení nový virtuální sériový port, na kterém je pak možné data z modulu libovolnou aplikací načítat v textovém formátu. Modul je dále osazen rozhraním RS485 s galvanickým oddělením a lze jej připojit do sítě přístrojů, podporujících komunikační protokol EPSNet. Napájení modulu je možné buď přímo
z počítače přes USB port, nebo z libovolného dalšího zdroje, typicky ze síťového napájecího adaptéru 7 až 30 voltů, případně z akumulátoru 12 V. Trvalý odběr modulu je do 100 ma/5 V. Obr.2 Obvodové schéma vysílacího modulu Obr.3 Plošný spoj vysílacího modulu (reálná velikost 33 x 26 mm)
Obr.4 Obvodové schéma přijímacího a archivačního obvodu
Obr.5 Plošný spoj přijímacího a archivačního obvodu (reálná velikost 98x82 mm) Výsledek by podpořen a pro jeho realizaci bylo využito přístrojového vybavení projektu OP VaVpI Centrum pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace CZ.1.05/2.1.00/01.0005.