Файл: Автоматизированная беспроводная система измерений параметров окружающей среды.pdf

53
Таблица 12 – Характеристики сигнала
Обозначение
Параметр
Значение параметра, мкс минимум типичное максимум
T
be
Время простоя стартового сигнала ведущего устройства
800 1000 20000
T
go
Время освобождения шины хостом
20 30 200
T
rel
Время ответа на низкий уровень
75 80 85
T
reh
Время ответа на высокий уровень
75 80 85
T
low
Сигнал «0», «1» низкого уровня
48 50 55
T
H0
Сигнал «0» высокого уровня
22 26 30
T
H1
Сигнал «1» высокого уровня
68 70 75
T
en
Время освобождения шины сенсором
45 50 55
На рисунке 27 представлена часть блок-диаграммы, которая отвечает за считывание данных с датчика DHT22. Блок «FPGA Target» открывает ссылку на указанный FPGA ВП.
Первые 16 бит данных, полученных с датчика, – это информация о влажности. Формула (2) отражает перевод двоичных данных в значение влаж- ности в процентах, на рисунке 28 показана реализация в LabVIEW. h
l [dec]
(H
H )
10
h


(2)
На рисунке 29 представлен алгоритм считывания данных с датчика влажности DHT22.
Рисунок 27 – Модуль измерения влажности
Рисунок 28 – Перевод двоичных данных в значение влажности в процентах

54
Рисунок 29 – Алгоритм считывания данных с датчика влажности DHT22
3.4.4 Модуль измерения давления и температуры
Микросхема LPS331AP содержит набор регистров, которые использу- ются для управления ее работы и для получения данных давления и температу-

55
ры. Адрес регистра используется для их идентификации и для чтения/записи данных через последовательный интерфейс. Так как в работе, необходимо по- лучить данные о давлении и температуре, были использованы один входной ре- гистр и пять выходных.
Входной регистр CTRL_REG1 – это управляющий регистр, состоящий из 8-ми разрядов, располагающийся по адресу 20h. В таблице 13 представлены биты, входящие в этот регистр.
Таблица 13 – Значения входного регистра CTRL_REG1 7
6 5
4 3
2 1
0
PD
ODR2
ODR1
ODR0 DIFF_EN BDU DELTA_EN
SIM
0 1
0 1
0 0
0 0
PD бит позволяет включить устройство. Устройство находится в режиме отключения питания, когда PD равен '0'. Устройство активируется, когда PD установлен в '1'.
ODR2, ODR1, ODR0 биты позволяют изменять скорость вывода данных давления и температуры. Значение по умолчанию "000". ODR2, ODR1 и ODR0 биты могут быть сконфигурированы, как описано в таблице 14.
Таблица 14 – Разрядные конфигурации выходной скорости передачи данных
ODR2
ODR1
ODR0
Скорость передачи выходных данных давления, Гц
Скорость передачи выходных данных температуры, Гц
0 0
0
Однократное событие
Однократное событие
0 0
1 1
1 0
1 0
7 1
0 1
1 12,5 1
1 0
0 25 1
1 0
1 7
7 1
1 0
12,5 12,5 1
1 1
25 25
DIFF_EN бит используется для включения схемы для вычисления вы- хода дифференциального давления. В режиме по умолчанию (DIFF_EN равен '0') схема выключена.
BDU бит используется для задержки обновления выходных регистров между чтением верхней и нижней частей регистра. В режиме по умолчанию
(BDU = '0'), нижняя и верхняя части регистра постоянно обновляются.

56
DELTA_EN бит используется для включения регистра изменения дав- ления. При DELTA_EN равному '0' этот регистр выключен.
SIM бит выбирает режим работы последовательного интерфейса SPI.
Когда SIM '0' (значение по умолчанию) выбран режим четырехпроводного ин- терфейса.
Были выбраны значения, приведенные в таблице 12.
Выходные регистры находятся по адресам 28h – 2Ch. Регистры выход- ных данных давления: PRESS_OUT_XL (P
XL
),
PRESS_OUT_L
(P
L
),
PRESS_OUT_H (P
H
). Для преобразования полученных данных давления необ- ходимо воспользоваться формулой (3).
H
L
XL [dec]
(P
P
P
)
Pout =
4096


(3)
Далее рассмотрим регистры выходных данных температуры:
TEMP_OUT_L (T
L
), TEMP_OUT_H (T
H
). Формула (4) используется для преоб- разования данных температуры в градусы Цельсия.
H
L [dec]
(T
T )
T= 42,5 +
480

(4)
На рисунке 30 представлена часть блок-диаграммы, отвечающая за счи- тывание данных с IMU-сенсора.
Рисунок 30 – Модуль измерения давления и температуры
Блок «Open» открывает ссылку на канал I
2
C, необходимо открыть ссыл- ку, прежде чем использовать канал I
2
C для записи и считывания данных из ве- домого устройства I
2
C. Блок «Configure» настраивает скорость передачи канала
I
2
C. Далее с помощью блоков «Write» и «Write Read» данные записываются в

57
I
2
C ведомого устройства, а затем считывается заданное количество байтов дан- ных от ведомого устройства I
2
C. Блок «Close» закрывает ссылку на канал I
2
C, а также отключает канал I
2
C и сбрасывает конфигурацию канала.
3.4.5 Модуль измерения освещенности
Фоторезистор PDV-P9203 передает данные на NI myRIO по аналоговому каналу. На рисунке 31 изображена часть блок-диаграммы, отвечающая за полу- чение информации об освещенности с фоторезистора.
Для того, чтобы получить значения с аналогового входа, необходимо указать имя канала в блоке «Open», который откроет один или более аналого- вые каналы. Блок «Read» считывает значение из аналоговых каналов, и блок
«Close» закрывает канал.
Также в эту часть блок-диаграммы с помощью локальных переменных передаются значения влажности, температуры и давления, полученные в дру- гих частях кода. Это необходимо для того, чтобы свести всю имеющуюся ин- формацию в одну таблицу.
3.4.6 Расчет неопределенности измерений
В соответствии с ГОСТ Р 54500.3-2011/Руководство ИСО/МЭК 98-
3:2008 «Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению не- определенности измерения» неопределенность измерения определяется как па- раметр, относящийся к результату измерения и характеризующий разброс зна- чений, которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине.
Стандартная неопределенность – это неопределенность результата из- мерения, выраженная в виде стандартного отклонения. Оценивание (неопреде-
ленности) типа A – это метод оценивания неопределенности путем статистиче- ского анализа ряда наблюдений. Оценивание (неопределенности) типа В – ме- тод оценивания неопределенности, отличный от статистического анализа ряда наблюдений.

Рисунок 31 – Модуль измерения освещенности
58

Суммарная стандартная неопределенность – стандартная неопреде- ленность результата измерения, полученного из значений ряда других величин, равная положительному квадратному корню взвешенной суммы дисперсий или ковариаций этих величин, весовые коэффициенты при которых определяются зависимостью изменения результата измерения от изменений этих величин.
Расширенная неопределенность – величина, определяющая интервал вокруг ре- зультата измерения, который, как ожидается, содержит в себе большую часть распределения значений, что с достаточным основанием могут быть приписаны измеряемой величине [22].
В соответствии с рекомендациями по метрологии Р 50.2.038-2004 «Гос- ударственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые од- нократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измере- ний» Стандартную неопределенность, оцениваемую по типу A (u
A
) вычисляют по формуле (5).
2 1
1
(
)
1
n
A
i
i
u
x
x
n





,
(5) где n – число экспериментальных данных;
x
i
– i-e экспериментальное данное, полученное при измерении;
x
– среднее арифметическое экспериментальных данных, полученных при измерении, вычисленное по формуле (6);
1 1
n
i
i
x
x
n



,
(6)
Стандартную неопределенность, оцениваемую по типу B (u
B
) вычисляют по формуле (7) [23].
3
B
u


,
(7)
где

– неисключенная систематическая погрешность, заданная границами

Расширенную неопределенность для уровня доверия P вычисляют по формуле (8).
59

60 2
2
о
( )
A
B
U P
k
u
u


,
(8) где о
k
– коэффициент охвата, значение которого для доверительной вероятно- сти равной 0,95 считают равным 2, для доверительной вероятности 0,99 – рав- ным 3.
Например, если пользователь задает период измерений равным одной минуте, то каждую минуту датчики будут измерять значения величин по пять раз, далее рассчитываются неопределенности по типу А, по типу В и расши- ренная. Результаты этих расчетов заносятся в протокол в отдельную таблицу.
3.4.7 Формирование отчетности
Запись в файл результатов измерений и расчета неопределенности про- изводится с помощью блоков палитры «Report Generation». Сначала создается новый отчет блоком «New Report», затем блок «Excel Easy Table» вставляет и форматирует таблицу в отчет Microsoft Excel, блок «Save Report to File» сохра- няет отчет в файл, указанный в пути сохранения отчета.
Также блок «Excel Easy Table» позволяет настроить шрифт, с какой ячейки начнется отображение таблицы, заголовки строк и столбцов.
Формат файла отчета выбран Excel.
Пример протокола приведен на рисунке 32.
Рисунок 32 – Пример протокола

61
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение
ВКР включает в себя разработку автоматизированной беспроводной си- стемы измерений параметров окружающей среды. В разделе «Финансовый ме- неджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» будут рассмотрены:
– потенциальные потребители результатов исследования;
– анализ конкурентных технических решений;
– SWOT-анализ;
– возможные альтернативы проведения научных исследований;
– структура работ в рамках научного исследования;
– трудоемкость выполнения работ;
– график проведения научного исследования;
– бюджет научно-технического исследования (НТИ);
– ресурсная (ресурсосберегающая), финансовая, бюджетная, социальная и экономическая эффективность исследования.
4.1
Оценка коммерческого потенциала и перспективности
проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективно-
сти и ресурсосбережения
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования
Сегментировать рынок по разработке измерительной системы можно по следующим критериям: тип потребителя и модификация разработки. Карта сегментирования рынка по модификациям разработки системы измерений па- раметров окружающей среды показана на рисунке 33.
По итогам сегментирования определены основные сегменты данного рынка. Научные лаборатории могут обходиться начальным набором датчиков – датчик давления и температуры и датчик влажности. У промышленных компа- ний есть нужда в расширенных наборах, в то время как физическое лицо может быть удовлетворен в модификациях с двумя или тремя датчиками.

62
Модификация разработки
Начальный набор датчиков (2 датчика)
Расширенный набор датчиков (3 датчика)
Расширенный набор датчиков (4 датчика)
Потре би тель
Научная лабо- ратория
Промышленная компания
Физическое лицо
Рисунок 33 – Карта сегментирования рынка
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений
Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффек- тивности и ресурсосбережения позволяет провести оценку сравнительной эф- фективности научной разработки и определить направления для ее будущего повышения.
Для того, чтобы выявить ресурсоэффективность научной разработки и определить направления для ее будущего повышения, необходимо провести анализ конкурентных технических решений. Данный анализ проводится с по- мощью оценочной карты, которая приведена в таблице Б.1 приложения Б, где в качестве конкурентных разработок для сравнения были взяты следующие раз- работки: метеостанция IMETEOLABS PWS-600 (К
1
) и Система измерения тем- пературы и влажности Testo Saveris (К
2
).
Позиция разработки и конкурентов оценивается по каждому показателю экспертным путем по пятибалльной шкале, где 1 – наиболее слабая позиция, а 5
– наиболее сильная. Веса показателей, определяемые экспертным путем, в сум- ме должны составлять 1.
Анализ конкурентных технических решений определяется по формуле
(9).
К
В Б
i
i



,
(9) где К – конкурентоспособность научной разработки или конкурента; B
i
– вес показателя (в долях единицы); Б
i
– балл i-го показателя.

63
Главным преимуществом разрабатываемой в рамках ВКР системы изме- рений является возможность беспроводной передачи данных, сравнительно ма- ленькая цена и возможность использования в разных областях, в то время как конкурентные разработки узконаправленные и значительно дорогостоящие.
Таким образом, данные особенности дают преимущество разработке и позволят ей занять свою нишу на целевом рынке.
4.1.3 SWOT-анализ
SWOT-анализ применяют для исследования внешней и внутренней сре- ды проекта. Он проводится в несколько этапов.
Первый этап заключается в описании сильных и слабых сторон проекта, в выявлении возможностей и угроз для реализации проекта, которые прояви- лись или могут появиться в его внешней среде. В таблице В.1 представлены ре- зультаты первого этапа SWOT-анализа.
Второй этап состоит в выявлении соответствия сильных и слабых сторон научно-исследовательского проекта внешним условиям окружающей среды. В рамках данного этапа необходимо построить интерактивную матрицу проекта.
Ее использование помогает разобраться с различными комбинациями взаимо- связей областей матрицы SWOT. Интерактивные матрицы представлены в таб- лицах В.2-В.5.
Была составлена итоговая матрица SWOT-анализа, представленная в таблице В.6, которая помогает разобраться с различными комбинациями взаи- мосвязей областей матрицы и скорректировать направление реализации проек- та.
Все результаты SWOT-анализа представлены в приложение В.
4.2 Определение возможных альтернатив проведения научных
исследований
Для выявления возможных альтернатив проведения разработки может быть применен морфологический подход, который основан на систематическом

64
исследовании всех теоретически возможных вариантов, вытекающих из зако- номерностей строения (морфологии) объекта исследования. Результаты приме- нения морфологического подхода приведены в таблице 15.
Таблица 15 – Морфологическая матрица
1 2
3
А. Датчик темпера- туры
IMU-сенсор
Аналоговый термо- метр TMP36
Цифровой термо- метр DS1822
Б. Датчик влажности
DHT22
DHT11
SHT10
В. Датчик давления
IMU-сенсор
Датчик атмосферно- го давления BMP085
HP203B
Г. Датчик освещен- ности
Фоторезистор PDV-
P9203
Фоторезистора
GL5528
VT90N2
Д. Устройство связи с компьютером
(микроконтроллер)
NI myRIO
Arduino
Arduino
Е. Язык программи- рования
LabVIEW
C/C++
C/C++
Для данной матрицы наиболее желательным вариантом решения оказал- ся вариант 1.
4.3 Планирование научно-исследовательских работ
Планирование комплекса предполагаемых работ осуществляется в сле- дующем порядке:
– определение структуры работ в рамках научного исследования;
– определение участников каждой работы;
– установление продолжительности работ;
– построение графика проведения научных исследований.
Для выполнения научных исследований формируется рабочая группа.
По каждому виду запланированных работ устанавливается соответствующая должность исполнителей.
В данном разделе необходимо составить перечень этапов и работ в рам- ках проведения научного исследования, провести распределение исполнителей по видам работ.