СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ ДОВКІЛЛЯ З ВИКОРИСТАННЯМ ПЛІВКОВИХ СЕНСОРІВ

Інтелектуальні сенсорні системи як складова інформаційно-комунікаційних технологій є невід’ємним атрибутом розвитку людського суспільства на сучасному етапі [1]. Сенсори температури, тиску, вологості, іонізуючої радіації, газових забруднень атмосфери – ось далеко неповний перелік сенсорів за їх основним функціональним призначенням.

Особливе місце в цьому переліку належить сенсорам температури та вологості (електронним пристроям для кількісного визначення температури та абсолютної/відносної вологості), оскільки моніторинг і контроль цих параметрів стану навколишнього середовища на сьогоднішній день є важливим економічним завданням, актуальність успішного розв’язання якого важко переоцінити [2]. Ці сенсори є практично незамінними в багатьох сферах нашого життя. Вони широко використовуються в автоматизованих системах контролю та регулювання вологості та температури на підприємствах харчової і легкої промисловості, сільського господарства, в нафто- та газопроводах.

Все це наштовхує на ідею створення високонадійної інтелектуальної системи моніторингу параметрів довкілля. Однак ефективна робота інтелектуальних систем можлива лише за умови забезпечення їх високоякісною первинною інформацією. Це вимагає створення принципово нових мікроелектронних сенсорів на основі сучасних функціональних наноматеріалів з використанням нових фізичних ефектів, застосування сенсорних масивів та високочутливих, точних та стабільних вимірювальних каналів [3]. В даній роботі пропонується розроблення мікропроцесорної системи моніторингу параметрів довкілля з використання одержаних високостабільних наноструктурованих сенсорних структур.

На рис. 1. зображено дві сенсорні структури, одна з яких забезпечує вимірювання температури і інша – інтегроване вимірювання температури та вологості. На рис. 2 зображені характеристики температурно- та вологочутливих сенсорних структур [4].

Рис.1. - Топологічна схема багаторівневої наноструктурованої сенсорної структури [3]

Як видно з рис. 2, температурночутливі структури на основі структур p-р+ та p-р+-р мають лінійну залежність електричного опору на ділянці температур від 298 К до 368 К в напівлогарифмічному масштабі. Вологочутливі структури з на основі кераміки MgAl2O4 характеризуються високою чутливістю на ділянці відносних вологостей (ВВ) від 40 % до 98 % та відновлюваністю характеристик в циклах. Зважаючи на одержані результати [4], дані наноструктуровані сенсорні структури можна успішно використовувати при проектуванні та створенні вимірювальних систем.

На рис. 3 наведена функціональна схема спеціалізованої системи для контролю мікрокліматичних параметрів. Функціональна схема програмно-апаратного комплексу для контролю мікрокліматичних параметрів складається з аналогової та цифрової частин [2]. Спроектована мікропроцесорна система моніторингу за її функціональним призначення являє собою трирівневу структуру побудови. Не першому рівні розміщені сенсори температури та вологості (при необхідності можливе використання ряду сенсорів інших параметрів довкілля), реакція яких на визначені параметри перетворюється в електричний сигнал, який після перетворення схемою включення подається на вхід аналого-цифрового перетворювача (АЦП) [5].

а) б)

Рис. 2. (а, б) - Типові електрофізичні характеристики багатошарових температурночутливих

(а), і вологочутливих (б) товстоплівкових сенсорних структур [4]

Живлення системи забезпечується джерелом напруги від 6 до 20 вольт, та струмом навантаження більше 100 міліампер. Сприйняття даних із сенсорів проводиться через вбудовані АЦП оцифровуються [3].

Рис. 3. Функціональна схема спеціалізованої системи для контролю мікрокліматичних параметрів[5]

Для керування роботою системи контролю мікрокліматичних параметрів реалізовано програмне забезпечення для мікроконтролера Atmega328. Його розробка виконана в середовищі PSoC Designer 5.0 за допомогою мови програмування Сі [5]. У випадку використання автоматизованої системи з сенсорами, розташованими в різних місцях (комплексний моніторинг), вимірювальні модулі будуть здатні самостійно автоматично накопичувати, частково опрацьовувати та запам’ятовувати попередню інформацію, отриману з сенсорів, а також підтримувати обмін даних з центральним терміналом, призначеним для централізованого опрацювання та накопичення інформації з усіх комплексів.

Запропонована автоматизована система моніторингу довкілля з використанням двох окремих наноструктурованих сенсорів температури та відносної вологості. В подальшому буде відпрацьовано можливості системи при використанні інтегрованого p-р+ та p-р+-р сенсора. Система моніторингу навколишнього середовища, що дасть змогу контролювати визначені параметри мікрокліматичних умов (температури, вологості, тощо) як в побутових приміщеннях, так і на території великих промислових підприємств.

Література

1. Лепіх Я.І., ГордієнкоЮ.О., Дзядевичта С.В., Дружинін А.О., Євнух А.А., Лєсков С.В., Мельник В.Г., Романов В.О. Створення мікроелектронних датчиків нового покоління для інтелектуальних систем, Одеса “Астропринт” (2010), с.289.

2. Energy and Environment, The Intimate Link, a position paper of the EPS Envir. Physics Division, EPS, www.eps.org/about-us/position-papers/eps_energy_environment_pp.pdf

3. Seijama T., Yamazoe N., Arai H. Ceramic humidity sensors, Sensors and Actuators, 1983, v. 4, pр.85-96.

4. www.epluse.com; www.honeywell.com; www.sensorsoft.com

5. Klym H., Hadzaman I., Shpotyuk O., Brunner M. Temperature and humidity sensitive ceramic materials in thick-film performance for multifunctional sensor application, Proc. Sensor 2009, vol. II – 14th International Conference on Sensors, Technologies, Electronic and Applications, Nurnberg, Germany, 26-28 May 2009, рp. 307-310.