employee
Samara, Russian Federation
student
Samara, Russian Federation
Samara, Russian Federation
The article deals with the approach to the organization of data collection network using wireless technologies to build a temperature control system in areas with unequal functional zoning
wireless networks, ZigBee, digital temperature sensor, data collection systems
Значительное удешевление датчиков физических величин и систем на основе микроконтроллеров позволяет осуществить переход от качественно новых возможностей, предоставляемых цифровыми датчиками в сборе и последующей обработки информации, к количественному насыщению датчиками технических систем. Это позволяет получить возможности, редко используемые ранее из-за ценового уровня технических решений, их реализующих.
Одной из интересных возможностей является управление температурой в помещениях с ярко выраженным функциональным зонированием. К ним можно отнести торгово-развлекательные комплексы, производственно-складские помещения и логистические хабы. В таких ситуациях возможно несколько подходов. В одном, наиболее распространенном, производится управление температурой всего воздушного потока, поступающего через централизованную систему вентиляции в помещение, в другом – управление температурой локально выделенного, критичного к температуре участка за счет управления установками либо охлаждения воздуха, либо обогрева. Как правило, второй подход наиболее широко используется в зданиях с централизованными системами кондиционирования и вентиляции, в которых пользователю предоставляется возможность установки температурных порогов в конкретных помещениях, например, кабинетах и помещениях офисных центров.
Однако, в помещениях больших площадей и объемов пока распространен первый описанный подход – подогрев или охлаждение всего воздушного объема.
Рассмотрим, как же можно построить систему сбора данных для реализации возможности локального управления температурой с помощью различных исполнительных устройств.
На рынке в настоящее время имеется два основных класса термодатчиков как законченных устройств. Первый класс – это термопары, изменяющие физические параметры (как правило, сопротивление) в зависимости от температуры и подключаемые через усилители либо к микроконтроллерам, либо к программируемым логическим контроллерам. Вторым классом можно считать так называемые цифровые датчики, в которых в одном корпусе малых габаритов уже содержится термопара, микроконтроллерное ядро, выполняющее обработку состояния термопары и формирующий цифровой пакет, передаваемый к управляющему устройству [1].
Наиболее популярным датчиком такого вида на сегодняшний день является микросхема DS18B20. Эта микросхема представляет собой трёхвыводной цифровой термометр. В состав этой микросхемы входит интегральный датчик температуры, принцип работы которого базируется на зависимости вольт-амперной характеристики p-n перехода от температуры [2]. В сравнении с другими типами датчиков: терморезисторами, термопарами, платиновыми термометрами сопротивления, – интегральные датчики имеют ряд достоинств. К ним относят: компактность, высокую чувствительность, точность, выходную характеристику, имеющую линейный характер. Однако за это приходится платить ограничением максимальной температуры, обычно до 150°C.
Кроме термочувствительного элемента, в состав микросхемы DS18B20 входят блок преобразования значения температуры в цифровой код и один порт интерфейса 1-Wire [1]. Разрешение термометра может программироваться от 9 до 12 бит. По умолчанию для преобразования температуры в двоичное 12-разрядное слово необходимо 750 миллисекунд. Производитель цифрового термометра (Maxim Integrated) заявляет точность ±0,5° C в диапазоне температур от -10°C до +85°C, а допустимый диапазон температур считается от -55°C до +125°C. Питание датчика возможно двух типов: фантомное, без непосредственного подключения к источнику напряжения, и обычное – с подключением датчика к источнику питания системы с постоянным напряжением от 3 до 5 В. В первом случае возможно использовать для подключения датчика в систему два вывода: информационный и общий, а во втором – три, к перечисленным добавляется еще вывод питания датчика. Разработчик может сам выбирать способ питания в зависимости от условий функционирования датчика. Как правило, в условиях сложной окружающей электромагнитной обстановки используется более стабильное трехпроводное подключение.
Интерфейс, по которому рассматриваемый термодатчик подключается к управляющим устройствам, называется 1-Wire и представляет собой двунаправленную шину связи для низкоскоростных устройств (до 15,4 Кбит/c), в которой данные передаются по цепи питания. Вне зависимости от выбранного от способа подключения, сигнальный провод соединяется с питанием через резистор 4,7 кОм.
В качестве управляющего устройства, опрашивающего цифровой термодатчик, можно использовать как простейшие микроконтроллеры, позволяющие реализовать интерфейс 1-Wire, так и системы на кристалле (SoC), имеющие в своём составе модуль, реализующий беспроводную связь либо по протоколу WiFi, либо по протоколу Zigbee. Конкретный выбор происходит в зависимости от условий, накладываемых на организацию беспроводной сети, и определяется в целом двумя параметрами: необходимой скоростью передачи информации и допустимым энергопотреблением. WiFi является более быстрым протоколом, с другой стороны, Zigbee – энергетически экономичнее. Пример построения структуры подобной сети показан на рис. 1.
Контроллерные устройства с подключенным к ним цифровым датчиком или даже несколькими датчиками образуют малогабаритные узлы беспроводной сети и позволяют собирать информацию с участков пространства произвольной дискретности, консолидировать их в одном месте и проводить как распределенную обработку на уровне узлов сети, так и сосредоточенную обработку вплоть до степени big data на уровне датацентров и облачных сервисов.
Рисунок 1 – Пример построения структуры сети сбора данных
с цифровых термодатчиков по протоколу ZigBee
На основе описанного подхода к построению системы сбора данных датчики температуры включаются в цепи управления либо локальными нагревательно-охладительными устройствам, либо электромеханическими заслонками и клапанами, осуществляющими распределение теплоносителя по запросу.
1. Dokumentaciya na cifrovoy termometr DS18B20 proizvodstva Maxim Integrated. - URL: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf
2. Klaassen K.B. Osnovy izmereniy. Datchiki i elektronnye pribory: [ucheb. posobie] / K.B. Klaassen; per. s angl. E.V. Voronova, A.L. Larina. - 3-e izd. - Dolgoprudnyy: Intellekt, 2008. - 350 s.: il.
