Микромощные беспроводные электронные датчики для систем мониторинга окружающей среды

На правах рукописи

БОГДАНОВ СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ МИКРОМОЩНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орёл – 2013 2

Работа выполнена в государственном казенном образовательном учреждении выс шего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Рос сийской Федерации

Научный консультант: кандидат технических наук Басов Олег Олегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузичкин Олег Рудольфович, Муромский филиал ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых», профессор кафедры «Управление и контроль в технических системах» кандидат технических наук, доцент Богданов Николай Григорьевич, Академия ФСО России, нач. кафедры «Электроники и теории связи»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный уни верситет приборостроения и информатики»

Защита состоится «01» октября 2013 г. в 13-00 на заседании диссертационного сове та Д 212.182.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный универси тет – учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302020, РФ г. Орел, Наугорское шоссе, 29, (ауд. 212).

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК».

Автореферат разослан 23 августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.182. кандидат технических наук, доцент Волков Вадим Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Для снижения ущерба, причиняемого человече скому обществу неблагоприятными природными процессами и явлениями, и, по возможности, уменьшения риска человеческих потерь, необходимым является регу лярный (по определенной программе) мониторинг окружающей среды с целью оценки ее состояния, анализа происходящих в ней процессов и своевременного вы явления тенденций ее изменения. Одним из основных элементов такой системы мо ниторинга является комплекс технических средств, обеспечивающий осуществление измерения требуемых параметров.

Для регистрации последних традиционно используются электронные датчики – средства измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной ин формации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдате лем. Благодаря развитию полупроводниковой и оптоэлектронной элементной базы, миниатюризации интегральных микросхем, появлению новых технологий передачи информации широкое распространение получили беспроводные электронные датчи ки (БЭД).

Несмотря на успехи производителей БЭД (зарубежные фирмы: Honeywell Inter national, NXP Semiconductors, Texas Instruments, National Semiconductor, Analog De vices, Atmel, ST Microelectronics, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips Electronics Oki, Omron и др., отечественные: Интека, Сенсорные технологии, Элкотех, Сенсорика, Теплоприбор, JUMO и др.), связанные с улучшением массогабаритных характери стик за счет высокой плотности размещения элементов датчиков и уменьшения раз меров отдельных функциональных узлов БЭД, а также метрологических и динами ческих параметров (на основе работ П. В. Новицкого, Я. Т. Загорского, Б. Р. Иванова и др.), открытым остается вопрос увеличения времени их работы в условиях ограни ченной ресурсоемкости и невозможности частой замены источников автономного электропитания, характерных для объектов мониторинга окружающей среды.

Увеличение времени работы БЭД может быть обеспечено снижением их энер гетической избыточности (части потребляемой электрической мощности, которая не идет на выполнение основных заданных функций) за счет применения микромощной элементной базы без ухудшения метрологических характеристик. Однако, такое применение как разновидность технологического пути снижения потребляемой электрической мощности (энергопотребления) требует разработки новых структур но-алгоритмических решений по построению и функционированию БЭД.

Таким образом, снижение энергопотребления микромощных БЭД, применяе мых в системах мониторинга окружающей среды, представляет собой сложную тех ническую задачу и обуславливает актуальность темы исследований.

Объектом исследования являются микромощные БЭД параметров природных и техногенных объектов, в пределах которых по определенной программе осуществляют ся регулярные наблюдения за окружающей средой с целью контроля за ее состоянием.

Предмет исследования – методы уменьшения энергопотребления микромощ ных БЭД за счет структурно-алгоритмических технических решений, закладывае мых на этапе проектирования и реализуемых на этапе функционирования.

Целью диссертационной работы является снижение энергопотребления мик ромощных БЭД параметров природных и техногенных объектов.

Научная задача исследований заключается в создании моделей, алгоритмов построения и функционирования и предложений по реализации микромощных БЭД, позволяющих уменьшить их энергопотребление при ограниченной ресурсоемкости и невозможности частой замены источников автономного электропитания.

В работе решаются следующие основные задачи:

анализ методов снижения энергопотребления БЭД;

– сравнительный анализ характеристик микромощной элементной базы, приме няемой в БЭД;

– разработка математических моделей микромощных БЭД;

– разработка алгоритма оптимизации структуры микромощных БЭД на этапе их проектирования;

– разработка алгоритма функционирования микромощных БЭД, обеспечиваю щего уменьшение их энергопотребления;

– разработка микромощных БЭД, реализующих последовательное во времени включение и выключение основных функциональных узлов в зависимости от вы полняемых ими функций или алгоритма преобразования;

– экспериментальная проверка разработанных структур и алгоритмов функци онирования микромощных БЭД и моделирование процессов контроля с оценкой их эффективности.

Методы и средства исследований. При решении диссертационных задач ис пользовались элементы теорий графов, измерений и автоматического управления, методы линейного программирования, а также математического моделирования на ПЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

– построены математические модели, описывающие взаимосвязь основных функциональных узлов микромощных БЭД набором обобщенных показателей, учи тывающих их энергопотребление, стоимость и техническую совместимость;

– разработан алгоритм оптимизации структур микромощных БЭД на основе предложенного набора обобщенных показателей, позволяющий снизить их струк турную избыточность;

– разработан алгоритм функционирования микромощных БЭД, обеспечиваю щий уменьшение энергопотребления за счет применения трехтактного интегриру ющего аналого-цифрового преобразования с комбинированной автоматической кор рекцией аддитивной погрешности.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

– предложенные модели и алгоритмы являются основой для проектирования и модернизации БЭД;

– разработаны новые структурные схемы микромощных БЭД и алгоритмы их функционирования, позволяющие снизить среднюю потребляемую мощность за счет последовательного во времени включения и выключения аналоговых функцио нальных узлов в зависимости от выполняемых ими функций или алгоритма преоб разования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на ХV Всероссийской научно-технической конференции «Новые ин формационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (17–19 нояб ря 2010, г. Рязань), 55-й Всероссийской научной конференции «Современные про блемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в совре менном информационном обществе» (19–25 ноября 2012, г. Москва), Международ ной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы раз вития радиотехнических и инфокоммуникационных систем», (28–30 марта 2013, г.

Москва), Международной молодежной научно-практической конференции «ИНФО КОМ-2013» (22–27 апреля 2013, г. Москва).

Публикации. По результатам исследований опубликовано восемь статей, в том числе три статьи в изданиях из перечня ВАК, получены 2 патента РФ на полезные модели, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены при выполнении ОКР по отработке технологии изготовления многоканальных мало дозных цифровых рентгеновских установок в ЗАО "Научприбор" (г. Орел), при кон троле возгорания производственных помещений в ОАО «Мценский литейный за вод» (г. Мценск), что подтверждается соответствующими актами внедрения. Ряд теоретических результатов внедрен в учебный процесс Академии ФСО России (г. Орел) при проведении занятий по дисциплинам «Электроника и схемотехника» и «Технические средства и методы защиты информации».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математические модели и алгоритм оптимизации структур микромощных беспроводных электронных датчиков, основанные на представлении их набором обобщенных показателей, учитывающих энергопотребление, стоимость и техниче скую совместимость отдельных функциональных узлов.

2. Алгоритм функционирования микромощных беспроводных электронных датчиков, обеспечивающий уменьшение их энергопотребления за счет применения трехтактного интегрирующего аналого-цифрового преобразования с комбинирован ной автоматической коррекцией аддитивной погрешности.

3. Предложения по реализации микромощных беспроводных электронных дат чиков влажности, температуры и задымленности с пониженной средней потребляе мой мощностью для систем мониторинга окружающей среды.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 138 страницах машино писного текста, содержит 56 иллюстраций и 7 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 115 наимено ваний, и двух приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи, показаны направления исследований, научная но визна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные по ложения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ природных и техногенных объектов, для мони торинга которых применяются БЭД, а также принципов и структур их построения.

Определены основные пути снижения энергопотребления БЭД и характеристики применяемой в них микромощной элементной базы.

Показано, что для снижения (недопущения) ущерба народному хозяйству необ ходим мониторинг опасных природных процессов и явлений (возгорание лесов, тор фа;

затопление местности;

возникновение наледи и др.). Его реализация подразумева ет наличие соответствующих технических средств, ключевую роль среди которых иг рают БЭД. Последние позволяют вырабатывать сигналы измерительной информации о параметрах природных и техногенных объектов, преобразовывать и передавать их в единый центр обработки для прогнозирования развития ситуации. Исходя из назна чения и анализа типовых структур, определена обобщенная структурная схема БЭД (рис. 1, а), включающая в себя чувствительный элемент (ЧЭ), масштабирующий уси литель (МУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок обработки данных (БОД), передатчик (ПРД), антенну (А) и источник электропитания.

Для измерения одной и той же физиче ской величины x(t) мо гут применяться ЧЭ, использующие различ ные физические про цессы ее преобразова ния в электрические сигналы и разнообраз ные принципы дей ствия. Однако, суще ствующие средства мо ниторинга, например, температуры, оснащен ные одним ЧЭ, не в со Рисунок 1 – Обобщенные структурные схемы БЭД (а) стоянии с заданной и комбинированного (совмещенного) БЭД (б) точностью производить контроль в широком диапазоне значений, что обуславливает целесообразность исполь зования комбинированных БЭД с разными ЧЭ (рис. 1, б). Кроме того, в зависимости от типа ЧЭ и назначения БЭД его структурная схема может быть изменена, в том числе – с целью измерения нескольких физических величин. Такие совмещенные БЭД состоят из нескольких соответствующих преобразователей (температуры, влажности, давления и т. д.).

Установлено, что снижение энергопотребления БЭД может быть достигнуто применением технологических, структурных и алгоритмических решений. При этом перспективным направлением является применение микромощной элементной базы.

Для оценки предельных возможностей совершенствования технических характери стик БЭД за счет применения микрорежима в работе рассмотрены основные свой ства транзисторов и элементов интегральной электроники при пониженных до (100 – 0,01) мкА значениях тока потребления и уменьшенном до единиц вольт напряжении питания. Установлено, что такое применение позволяет снизить по грешность электронных компонентов, повысить точность измерений и плотность компоновки радиоэлементов, обеспечить стабильность характеристик функцио нальных узлов при изменении напряжения источника электропитания. Однако, уменьшение токов потребления активных электронных компонентов приводит к пропорциональному возрастанию инерционности и ухудшению их динамических характеристик, вследствие чего необходимы исследование существующих и разра ботка новых структур и алгоритмов функционирования микромощных БЭД, обеспе чивающих уменьшение их энергопотребления. Противоречивость требований по снижению возникающей при этом структурной избыточности и обеспечению высо кой точности измерений обуславливает также необходимость проведения исследо ваний по определению способов формирования оптимальных структур микромощ ных БЭД.

Во второй главе представлены математические модели микромощных БЭД различного функционального назначения и алгоритмы оптимизации их структур.

Для рационального выбора микромощных электронных компонентов для БЭД его обобщенную структурную схему (рис. 1, а) можно представить с помощью графа (рис. 2), у которого вершины соответствуют множеству структурных элементов средства, а ребра – связям между ними с учетом зна чений коэффициентов тех нической совместимости, определяющих соответ ствие двух сопрягаемых электронных элементов (j го и (j-1)-го блоков) по ря ду важных характеристик питания, (напряжению точности, чувствительно сти, разрядности), сложно сти монтажа и т. д., нахо Рисунок 2 – Граф структуры БЭД дится экспертным путем в диапазоне Tij (0;

1]. Установлено, что они могут быть определены на основе метода непосредственных экспертных оценок и присвоены весам ветвей (узлов).

Наряду с коэффициентом технической совместимости Tij при оптимизации структуры микромощных БЭД необходимо учитывать энергопотребление Eij от дельных микромощных электронных элементов. С учетом высокой стоимости по следних в работе предложено применять обобщенный показатель:

норм норм Sij Eij kij =, (1) Tij где j – номер блоков в структуре БЭД (j = 1…5);

i – номер структурного элемента в j-м блоке (группе элементов) (i = 1…M);

M – максимальное число структурных эле норм норм норм ментов одного типа блоков (группы элементов);

Eij – нормиро, Tij, S ij ванные значения энергопотребления, стоимости и коэффициента технической сов местимости i-го элемента j-го блока соответственно;

kij – вес ребра к i-му элементу j-го блока.

Минимизация обобщенного показателя (1) lij min(kij + li ( j 1) ), где lij – сум ма весов обобщенных показателей на маршруте от последнего узла (А) ко всем пер вым (рис. 2), позволяет на основе алгоритма Дейкстры оптимизировать структуру БЭД с учетом требований по энергопотреблению, стоимости и коэффициента тех нической совместимости. В работе представлен пример такой оптимизации. При необходимости функциональная (структурная) схема средства контроля может быть представлена с большей степенью детализации (большим числом узлов), техниче ская совместимость формализована в виде отдельных параметров, а обобщенный показатель (1) расширен другими техническими характеристиками элементов.

Учитывая монотонность измеряемых параметров при мониторинге состояния распре деленных объектов, появляется возможность их периодического измерения. С учетом этого для снижения энергопотребления предложено использовать одни и те же одно типные структурные элементы совмещенного микромощного БЭД (рис. 1, б) в функ циональных схемах нескольких разнотипных преобразователей, осуществляя их по следовательную коммутацию (рис. 3). Использование такого технического решения позволяет унифицировать 1 j процесс разработки БЭД АЦП БОД ПРД ЧЭ АИ различного функциональ x1(t) ПТ ного назначения и сокра КУ КУ КУ КУ тить экономические затра x2(t) ПТ А ты на их производство.

КУ КУ КУ КУ КУ Для оптимизации xi(t) ПВ структуры такой аппара КУ КУ КУ туры предложен модифи x (t) М M цированный алгоритм КУ КУ КУ Дейкстры (рис. 4). Исход ными данными для его ра Рисунок 3 – Граф структуры совмещенного БЭД боты являются: матрица {} {} весов вершин K = kij, где kij – значения обобщенного показателя (1);

и Y = yijz – матрица смежности, где yijz – принимает значения 0 (связь отсутствует) или 1 (связь есть) между вершинами шагов j и (j–1), i и z порядковые номера узлов на шагах.

К основным этапам функционирования алгоритма оптимизации относятся:

I – получение матрицы маршрутов Tr = { ij }, обеспечивающих минимальные Tr значения весов пути для всех вершин графа;

II – восстановление массива оптимальных маршрутов Op = {Opij };

III – удаление узлов графа, соответствующих КУ с одним входом;

IV – формирование матрицы коммутаций Mk = {Mkij }, определяющей режимы работы коммутационных узлов (КУ).

Первые два этапа соответствуют выполнению классического алгоритма поиска кратчайших путей (алгоритм Дейкстры), а реализация третьего позволяет получить оптимальные маршруты Op, не содержащие КУ с одним входом, на четвертом – формируется матрица коммутаций, в соответствии с которой определяется таблица динамической адресации КУ.

Практическое использование разработанного алгоритма позволяет снизить структурную избыточность совмещенных и комбинированных БЭД с автономным электропитанием приблизительно на 30 %, обеспечив при этом выигрыш по обоб щенному показателю в 2,3 раза.

Разработанный алгоритм (рис. 4) может быть использован для снижения струк турной избыточности комбинированного БЭД, который в свою очередь представля ется моделью (рис. 3) при x1 (t ) = x2 (t ) =... = xM (t ).

На основе сравнения дисперсии ошибок оценок одного точного датчика (d1(Т )= 1) и трех (для примера), разной точности в работе сделан вывод о том, что точность оценки параметра окружающей среды можно улучшить, если учитывать информацию, поступающую от нескольких даже неточных измерительных преобра зователей комбинированного БЭД.

d1d 2 d 3 d 3 (Т ) = = 0,9009 d1 (Т ) d 2 d 3 + d1d 3 + d1 d 2 1000 + 100 + В третьей главе определены существенные предпосылки для комплексного улучшения метрологических параметров микромощных БЭД, предложен алгоритм их функционирования (рис. 5), обеспечивающий уменьшение их энергопотребление.

Показано, что одним из способов снижения энергопотребления цифровой части таких средств является применение алгоритмов многотактного интегрирующего аналого цифрового преобразования (АЦП) с изменением крутизны (скорости изменения) опорного сигнала. В частности, применение трехтактного инте грирующего преобразования вместо двухтактного позволяет в k эф = m/2 раз уменьшить требования к быстродействию и, в ре зультате, снизить в примерно k эф раз энергопотребление БЭД, реализуемых на микромощной элементной базе. Доказано, что относительная эффективность использования многотактного преобразования уменьшается с увеличением количества тактов.

Так при переходе от двухтактного к трехтактному интегрирую щему преобразованию обеспечивается 50-кратный выигрыш в значениях параметров f 0, и t зд, а при дальнейшем переходе от трех- к пятитактному интегрированию достигается лишь 5 кратное ослабление требований к данным параметрам.

Сравнение частотного и время-импульсного методов много тактного интегрирующего преобразования по минимуму энерго потребления при одинаковых точностных характеристиках поз волило сделать вывод о целесообразности использования в мик ромощных БЭД трехтактного интегрирующего время импульсного преобразования с изменением крутизны (скорости изменения) опорного сигнала в разных тактах, при котором сравнительно легко реализуется разновременная автоматическая комбинированная коррекция аддитивной погрешности. Комби нирование различных видов коррекции позволяет снизить часто ту модуляции исследуемого сигнала в усилителях постоянного тока, улучшить разрешающую способность датчиков и умень шить практически в десятки раз энергопотребление цифровых средств измерения при их реализации на микромощной элемент ной базе.

Рисунок 5 – Алго- Для реализации процесса аналого-цифрового преобразова ритм функциони- ния с учетом перечисленных факторов необходима разработка рования БЭД новых алгоритмов функционирования БЭД, позволяющих полу чить требуемые технические характеристики приборов при использовании микро мощных компонентов со сравнительно невысоким быстродействием. При этом за дача оптимизации указанных алгоритмов сводится к реализации процессов АЦП, обеспечивающих допустимую погрешность, разрешающую способность и помехо устойчивость при минимальной мощности и структурной простоте приборов. Осо бенности разработанного алгоритма функционирования микромощного БЭД пояс нены на примере трехтактного интегрирующего аналого-цифрового преобразовате ля время-импульсного типа (рис. 6). К особенностям рассматриваемой схемы отно сятся:

– адаптивность – в зависимости от уровня проинтегрированного сигнала реали зуется либо двухтактное, или трехтактное время-импульсное преобразование;

– модуляция тока питания компаратора управляющим сигналом логического автомата;

– коммутация переключателем SA3 инвертирующего входа усилителя А1 с вхо дом ключа SA4 на промежутках времени T S при запоминании напряжения U и, или с выходом SA4 – в тактах интегрирования измеряемого и опорных напряжений, что позволяет уменьшить погрешность нелинейности интегрирующего АЦП.

Повышение разрешающей способности в схеме (рис. 6) обес печивается применением комбини рованной цифро-аналоговой и цифровой автоматической коррек ции аддитивной погрешности. При моделировании схемы на ОУ типа К140УД12 при токах потребления I пот = (5 – 10) мкА было установле но, что использование трехтактно а) го алгоритма преобразования с ав томатической коррекцией адди тивной составляющей погрешно сти позволяет обеспечить разре шающую способность в 1 мкВ за время преобразования Тпр = 0,4 с при общем токе потребления ана логовой части устройства I пот.А мкА. При этом ток потребления цифровой части прибора, реализо ванной на микросхемах серии К561, составил I пот.Ц 30 мкА при б) напряжении питания Uпит = 4,5 В.

Рисунок 6 – Структурная схема (а) и временные диа При использовании микро граммы работы основных функциональных узлов (б) трехтактного интегрирующего время-импульсного мощных ОУ (типа К140УД12 и т. п.) АЦП БЭД в микромощных БЭД (в том числе в разработанном АЦП) целесообразно применять автоматическую регулировку тока питания в зависимости от частоты входного сиг нала. Это позволяет расширить диапазон рабочих частот преобразования при малой средней мощности потребления устройств. Дальнейшее уменьшение энергопотреб ления аналоговых функциональных узлов микромощных БЭД может быть достиг нуто их последовательным во времени включением и отключением в зависимости от выполняемых функций или заданного алгоритма преобразования и наиболее эффек тивно для снижения потребляемой мощности приборов с малой длительностью цик ла ТПР аналого-цифрового преобразования при выводе информации на индикатор.

В четвертой главе рассмотрены вопросы схемной реализации микромощных БЭД влажности, температуры и задымленности, обеспечивающих последовательное во времени включение и выключение основных функциональных узлов в зависимо сти от выполняемых ими функций или алгоритма преобразования, их эксперимен тальной проверки и моделирования процессов контроля с оценкой их эффективности.

Показано, что последовательное во времени включение и отключение основ ных функциональных узлов микромощных БЭД особенно эффективно при контроле медленно изменяющихся параметров, например, температуры или влажности иссле дуемых материалов с помощью емкостных датчиков, а также при вихретоковом контроле качества ферромагнитных материалов. В этих случаях выполняется про межуточное преобразование контролируемых величин в эквивалентные изменения емкости CХ или индуктивности LХ с помощью высокочастотных автогенераторов, выходная частота которых fВЫХ уменьшается при возрастании значений CХ или LХ и зависит от измеряемых неэлектрических величин.

Общий принцип уменьшения энергопотребления основан на сокращении вре мени работы высокочастотного генератора в цикле контроля длительностью ТЦ с по мощью низкочастотного генератора импульсов большой скважности (рис. 7). При этом частота fВЫХ измеряется микропроцессором в течение такта измерения ТИЗМ ТЦ по командам низкочастотного генера тора импульсов (ГУ). По казано, что в высокоча стотных LC-генераторах (D2) лучше всего исполь зовать микросхемы К серии, которые обеспечи вают максимальную ча Рисунок 7 – Микромощное устройство резонансного контроля стоту переключения влажности fМАХ = 150 МГц, а низко частотные генераторы импульсов реализовать на элементах К561 серии (D1), име ющих минимальный ток потребления при ограниченном быстродействии.

При экспериментальных исследованиях низкочастотного генератора установ лено, что независимо от частоты колебаний при сопротивлении резистора R 10 МОм ток потребления IПОТ увеличивается от единиц микроампер при U пит = 3 В до значения I пот = (0,7 – 0,8) мА при U пит = 10 В. Следовательно, малое энергопотребление генератора достигается только при небольшом напряжении пи тания, а его параметры могут быть определены, исходя из требуемой частоты им пульсов:

f ГУ =.

R ln 2 C1( R2 + 1 ) R При этом для обеспечения заданной погрешности дискретности д длительность Q управляющих импульсов должна составлять t И.ГУ = f р + д f р, где fр – резонансная частота колебаний контура, Q – его добротность, д – допустимая погрешность дис кретности (рис. 8).

В результате проведенных ис следований микромощного устрой ства контроля влажности в среде Electronics Workbench установлено следующее.

При отсутствии ГУ ток потреб ления составил около Iпот 136 мкА (при потребляемой мощности Рпот 0,68 мВт) в течении всего времени непрерывной работы аналоговой ча сти устройства (рис. 9). При включе Рисунок 8 – Зависимость времени измерения от по- нии управляющего генератора ГУ ток потребления постепенно возрас грешности дискретности счета д и резонансной тал и достигал максимального значе частоты fр колебаний ния (136 мкА) через 1,1 мс, затем по требление тока снижалось до 0,02 мкА (в течение 9 мс) и затем не изменялось до конца периода в тече ние t 155 мс.

С учетом энергопотребления ГИ и ГУ полная потребляемая мощность в обычном и управляемом режиме со ставила соответственно Рпот 1,5 мВт Рисунок 9 – Ток потребления измерительной и Рпот 0,65 мВт. Это позволяет сде части влагомера в различных режимах работы лать вывод о снижении энергопо требления измерительной части влагомера примерно в 2,3 раза.

Наращивание функциональных возможностей микромощных БЭД параметров окружающей среды может быть достигнуто применением совмещенных датчиков, синтезированных в соответствии с разработанным выше алгоритмом (рис. 4) и реа лизующими управление по возмущениям (рис. 10).

Результаты экспериментальных исследований совмещенного БЭД, предназна ченного для контроля возгораний, свидетельствуют о его низком энергопотреблении (средний ток потребления не превышает значения I пот = 34 мкА), достигаемым авто матической регулировкой или модуляцией токов потребления применяемых микро мощных ОУ в зависимости от уровня входного сигнала.

Рисунок 10 – Преобразователи совмещенного микромощного БЭД Аналогичный эффект уменьшения средней потребляемой мощности за счет мо дуляции тока потребления в зависимости от уровня входного напряжения обеспечи вается при использовании в качестве компараторов микромощных триггеров Шмит та, например, на микросхеме К561ТЛ1. В этом случае при выходной частоте fx 10 кГц задержка срабатывания не превышает значения t СРАБ (0,5 – 1) мкс при напряжении Uпит = (3 – 5) В и токе I пот 10 мкА.

Таким образом, полученные результаты полностью подтверждают эффектив ность применения управления по программе и возмущениям последовательным во времени включением и выключением основных функциональных узлов БЭД в зави симости от выполняемых функций или заданного алгоритма функционирования для достижения минимального энергопотребления технических средств мониторинга.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Применение микромощной элементной базы позволяет снизить температур ную погрешность электронных компонентов, повысить точность измерений и плот ность компоновки радиоэлементов, обеспечить стабильность характеристик функ циональных узлов БЭД при изменении напряжения источника электропитания, од нако требует разработки соответствующих алгоритмов их построения и функциони рования.

2. Осуществлен синтез структур микромощных БЭД путем поиска кратчайших путей на их математических моделях в виде графов, у которых вершины соответ ствуют множеству функциональных узлов, ребра – связям между ними, а весам вершин (ребер) поставлены в соответствие значения обобщенного показателя, учи тывающего энергопотребление, стоимость, техническую совместимость элементной базы. Для синтеза совмещенных и комбинированных средств мониторинга алгоритм поиска кратчайших путей модифицирован за счет процедур удаления незадейство ванных функциональных узлов и формирования сигналов управления коммутаци онными узлами.

3. Разработан алгоритм оптимизации структуры микромощных БЭД, позволя ющий снизить структурную избыточность совмещенных средств контроля состоя ния дорожного полотна на 35%, обеспечив выигрыш по обобщенному показателю приблизительно в 2,3 раза, и повысить точность оценки измеряемых параметров природных и техногенных объектов комбинированными средствами мониторинга.

4. Снижено энергопотребление цифровой части БЭД параметров объектов мо ниторинга за счет уменьшения напряжения питания и частоты переключения путем применения в них алгоритмов многотактного интегрирующего аналого-цифрового преобразования с изменением крутизны (скорости изменения) опорного сигнала.

При этом улучшение их разрешающей способности реализовано за счет разновре менной автоматической комбинированной коррекции аддитивной погрешности.

5. Использование в предложенном алгоритме функционирования микромощных БЭД трехтактного АЦП с автоматической коррекцией аддитивной составляющей по грешности позволило обеспечить разрешающую способность в 1 мкВ за время преоб разования Тпр = 0,4 с при общем токе потребления аналоговой части устройства I пот.А 70 мкА. При этом ток потребления цифровой части прибора составил I пот.Ц 30 мкА при напряжении питания UПИТ = 4,5 В.

6. Применение в микромощном БЭД влажности управления по программе вы сокочастотным генератором, включаемым в режим формирования колебаний только в течение длительности выходного импульса управляющего генератора, позволило снизить энергопотребление измерительной части БЭД примерно в 2,3 раза.

7. Результаты экспериментальных исследований совмещенного микромощного БЭД температуры и задымленности с управлением по возмущению свидетельствуют о его низком энергопотреблении, так как средний ток потребления не превышает значения I пот = 34 мкА.

8. Обеспечено минимальное энергопотребление технических средств монито ринга окружающей среды путем последовательного во времени включения и вы ключения основных функциональных узлов микромощных БЭД.

Представленные результаты свидетельствуют о достижении поставленной цели диссертационной работы.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих опуб ликованных работах:

Журналы из перечня изданий, рекомендованных ВАК 1. Богданов, С.П. Повышение точности измерений фазочастотных параметров при вихретоковом контроле [Текст] / С.П. Богданов, В.Г. Лисичкин, Д.П. Санников // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологий, 2010. – № (282). – С. 96-103 (доля участия автора – 30%).

2. Богданов, С.П. Перспективы и проблемы применения беспроводных датчи ков с автономным питанием [Текст] /С.П. Богданов, О.О. Басов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2012. – № 2(26), часть 1. – С. 20–23 (доля участия автора – 50%).

3. Богданов, С.П. Управляемый режим работы автономных устройств резо нансного контроля влажности материалов [Текст] / С.П. Богданов, О.О. Басов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологий, 2013. – № 1 (282).

– С. 96-103 (доля участия автора – 50%).

Прочие издания 4. Богданов, С.П. Обобщенная модель эффективности системы контроля.

[Текст] /С.П. Богданов, В.Г. Лисичкин, Д.П. Санников // Сборник материалов ХV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные техноло гии в научных исследованиях и в образовании» – Рязань: Рязанский государственный радиотехнический университет, 2010. – С. 62–63 (доля участия автора – 30%).

5. Богданов, С.П. Выбор критерия оптимизации прибора резонансного контроля [Текст] /С.П. Богданов, В.Г. Лисичкин, Д.П. Санников // Сборник материалов ХV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные техноло гии в научных исследованиях и в образовании» – Рязань: Рязанский государственный радиотехнический университет, 2010. – С. 64–65 (доля участия автора – 30%).

6. Богданов, С.П. К вопросу уменьшения энергопотребления беспроводных датчиков с автономным питанием [Текст] /С.П. Богданов, О.О. Басов // Труды 55-й научной конференции МФТИ: Всероссийской научной конференции «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе», Научной конференции «Современные проблемы фун даментальных и прикладных наук в области физики и астрономии», Всероссийской молодежной научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Радиотехника и кибернетика. Том 2. – М.: МФТИ, 2012. – С. 113-114 (доля участия автора – 50%).

7. Богданов, С.П. Снижение энергопотребления средств резонансного кон троля [Текст] /С.П. Богданов, О.О. Басов // Сборник материалов Первой Междуна родной научно-практической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем". – М.: МГТУ РТЭА, 2013. – С. 90–93 (доля участия автора – 50%).

8. Богданов, С.П. Оптимизация структуры беспроводных датчиков с автоном ным питанием на основе теории графов [Текст] /С.П. Богданов, О.О. Басов // Сбор ник материалов Международной молодежной научно-практической конференции «ИНФОКОМ-2013» – Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2013. – С. 57–59 (доля участия автора – 50%).

Патентные материалы 9. Патент на полезную модель № 99149 Российская Федерация, МПК G № 27/90 Двупараметровое устройство вихретокового контроля [Текст] / Б.Р. Иванов, В.Г. Лисичкин, С.П. Богданов : заявитель и патентообладатель Академия ФСО Рос сии. Опубликовано 10.11.2010. Бюл. № 31. – 2 с. (доля участия автора – 30%).

10. Патент на полезную модель № 129652 Российская Федерация, МПК G № 27/22 Электронный влагомер [Текст] / С.П. Богданов, О.О. Басов : заявитель и па тентообладатель Академия ФСО России. Опубликовано 27.06.2013. Бюл. № 18. – 2 с.

(доля участия автора – 50%).

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616099 Программа оптимизации структуры цифрового устройства / С.П. Богданов, О.О. Басов. Д.А. Гуляйкин (доля участия автора – 40%).

Подписано к печати «19» августа 2013 г.

Тираж 100 экз. Объем 1 п. л.

Заказ № Полиграфический отдел ФГБОУ ВПО «Госуниверситет УНПК» 302030, г. Орел, ул. Московская,