Platforma de monitorizare a mediului cu ajutorul senzorilor inteligenti [306011]

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

DEPARTAMENTUL DE CALCULATOARE ȘI INGINERIE ELECTRICĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

Conducător științific: Prof. Dr. Ing. Florea Adrian

Absolvent: [anonimizat]: Electromecanica

-Sibiu, 2017-

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

DEPARTAMENTUL DE CALCULATOARE ȘI INGINERIE ELECTRICĂ

Platforma de monitorizare a mediului cu ajutorul senzorilor inteligenti

Conducător științific: Prof. Dr. Ing. Florea Adrian

Absolvent: [anonimizat]: Electromecanica

Introducere

Scop

Această lucrare are că scop analiză mediului înconjurător cu ajutorul senzorilor prin detectarea schimbărilor ambientale și conversia acestor schimbări în semnale electrice care vor fi prelucrate prin intermediul platfomei (procesare-interfață web). Senzorii principali folosiți fiind: [anonimizat] (CO2/zgomot), umiditate și presiune.

În această lucrare se va elabora o platformă mobilă pentru monitorizarea mediului prin intermediul senzorilor în “real time” și a unei interfețe web prin care pot fi vizualizați parametrii / datele colectate.

Obiective

Obiectivele principale vizate de această lucrare sunt:

• Implementarea tehnică a modulului (prototip): hardware și software

• Colectarea parametrilor cu ajutorul senzorilor;

• Evaluarea mediului înconjurător prin parametrii colectați de către senzori: temperatură, praf, calitatea aerului(noxe) și presiunea atmosferica;

• Utilizarea parametrilor și redirecționarea acestora pe platformă web

• Colectarea datelor cât mai precise prin intremediul platformei mobile (colectarea în trafic)

• Hardware implementat astfel încât este nevoie doar de “plug and play” [anonimizat];

• Analiză costului poluării aerului și discuția privind eficientă cost / [anonimizat].

Cea mai bună cale de prevenție a poluării este de a începe să ne concentrăm pe măsurarea și monitorizarea celor mai poluate locuri cu ajutorul platformei ([anonimizat]-senzori) pentru a știi ce tip de decizii pot fi luate pentru a avea un aer mai curat.

[anonimizat] a [anonimizat] o [anonimizat]. Pe de altă parte platformă mobilă propusă de acest proiect se ocupă de toate problemele menționate mai sus: [anonimizat], date colectate pe o rază mai mare urmând a putea vizualiză dintr-o gamă mult mai variată ca și platformele statice. De aici și termenul de platformă autonomă sau mobilă.

În acest proiect îmi doresc să îmbunătățesc calitatea monitarizarii mediului prin proiectarea și dezvoltarea unui prototip “dovada a unui concept” pentru utilizarea în autovehicul. Orașe că Oslo și Bergen (Novegia) au foarte multe mașini și ne propunem că aceste mașini să fie folosite că și un dispozitiv de captare mobile incorporând platform noastră mobilă în unele dintre aceste autovehicule. Chiar și atunci când autovehiculul este parcat această plaforma va continuă să colecteze date și să le trimită către server.

În lucrarea anterioară “Senzori și orașe smart”, ne-am propus un proiect de cercetare pentru proiecte de orașe inteligențe. Această lucrare arată modul în care proiectele de orașe inteligențe ar trebui să fie orientate și centrate pe utilizator a părtilor interesate. Că parte a proiectului, vom începe căutarea de parteneri pentru un proiect mai mare pentru a demonstra fezabilitatea acestei monitorizări mobile.

Am efectuat o căutare în literatură de specialitate pentru a vedea dacă o astfel de soluție a fost dezvoltată în altă parte și-am găsit două lucrări de platforme mobile de monitorizare a mediului:

În Coreea de Sud a fost dezvoltat un furgon dedicat, cu echipamente de măsurare, dar aceasta este doar o masină plina de echipamente de monitorizare scumpe.

În Germania, a fost demonstrată utilizarea conectorului interfeței OBD-II pentru a colecta informații de la masina in sine (viteza, consumul de combustibil).

Noi nu am găsit pe nimeni urmărind ideea de a folosi mașinile parcate ca platforme senzor. O astfel de soluție va furniza mai multe date și de o calitate mai buna decat soluțiile existente. Fiecare unitate va avea un procesor, un receptor GPS pentru a colecta informații despre locație, o unitate de telefonie mobilă GSM pentru a transmite rezultatele la un server, și senzori pentru calitatea aerului, temperatura și presiunea barometrică. De asemenea, luăm în considerare, inclusiv un senzor de umiditate. În plus, avem nevoie de SIM-carduri pentru fiecare unitate și două luni de acces la date mobile.

Pe de altă parte, impactul proiectului va fi de la nivel mondial pana la nivelul întregii societăți. Oamenii vor deveni conștienți de necesitatea de a reduce consumul de energie auto și de a reduce amprenta de carbon. Protejarea resurselor naturale, cum ar fi apa, solul, aerul, mineralele și serviciile ecosistemice vor îmbunătăți bunăstarea oamenilor și va contribui la durabilitatea mediului.

Un alt avantaj al proiectului nostru este extensibilitatea: aplicarea monitorizării în diferite alte sisteme sau folosind rezultatele noastre în ceea ce privește poluarea dar si în scopul de a păstra sănătatea cetățenilor. De exemplu, în sistemul medical în cazul în care platforma noastră ilustrează ca o parte din valori depășesc nivelul admis al poluării sau creșterea nivelului de polen sau praf (alergii care produc), în unele zone, se pot recomanda oamenilor să evite zonele care ar putea fi periculoase pentru starea lor de sănătate și să aleagă un alt raseu. De asemenea, folosind platforma pentru monitorizare de la distanță a pacienților și a comunicării între medici, rude și pacienți, permite un acces facil la mai multe servicii personalizate, permite evaluarea continuă a stării pacienților, depistarea timpurie a situatiilor anormale sau de urgență, detectarea modificărilor în domeniul conditiilor de sănătate.

Dealtfel, proiectul poate avea un impact și asupra altor organizații care pot utiliza sau modifica soluția noastră pentru a se potrivi cu obiectivele lor.

Necesitate

Nevoia pentru monitorizarea mediului este destul de evidența în contextul problemelor din viață reală ce poate ajută să menținem planetă atât de curată pe cât posibil pentru a conservă-o pentru generațiile viitoare. “Programele de monitorizare a mediului au fost criticate că fiind prea scumpe în raport cu cât livrează acestea” [1]

„If you can´t measure it, you can´t improve it” (Peter Drucker).[2]

Chiar și așa, monitorizarea mediului are un rol important în cercetarea științifică relevând trenduri pe termen lung care pot conduce către noi descoperiri. De exemplu, Charles David Keeling’s a măsurat pe termen lung dioxidul de carbon (CO2) în Mauna Loa. El a furnizat pentru prima data o dovadă incontestabilă că dioxidul de carbon rezultat din activitățile umane are un rol în încălzirea globală. Iar că și rezultat atent și foarte consistent al studiului, schimbarea climatului global este acum acceptat că și factor științific.

Monitorizarea este de asemenea esențială pentru evaluarea planurilor de protecție și fără această proiectele nu își pot dovedi succesul sau să identifice locurile unde se pot aplică îmbunătățiri dramatice.

Fig. 1.4 Ciclu iterativ de managment adaptiv

Proiectul în sine se adresează în mod clar catre una dintre cele mai fierbinți probleme legate de politica mediului inconjurator: Cum să reducem poluarea orasului, mai ales în cazul în care condițiile meteorologice crește nivelurile de poluare. Mai multe stații de măsurare va oferi rezultate mai precise. Ideea noastră propune ideea de a folosi mașini de oraș existente deja, pentru a monitoriza parametrii de mediu folosind o platformă low-cost de monitorizare a mediului pot oferi rezultate mai precise la costuri mai mici. Mai mult decât atât, colectarea de date pe termen scurt presupune o prognoza în continuare a condițiilor de mediu prin reducerea costurilor pe termen lung, și înregistrarea doar a datelor importante (modificări ale valorilor sau depășirea unor praguri) nu a tuturor datelor care ar putea produce o umplere totala cu informații nerelevante reprezintă alte avantaje ale soluției noastre.

Rezultatele proiectului pot determina luarea deciziilor competente de catre municipalitate impotriva poluarii precum restrictionare traficului sau limitarea folosirii masinii personale;

Eliminarea resursei umane în mentenanța platformelor de monitorizare a mediului;

Dezvolatarea unei discutți cu autoritatile locale pentru reducerea poluării prin promovarea transportului public;

Motivație

Motivatia de la care pleaca aceasta lucrare de licenta este proiectul derulat in cadrul programului ERASMUS din Norvegia din anul al-III-lea semestrul al II-lea.

Proiectul derulat că și student ERASMUS se bazează în mare parte pe aceleași principii însă trimiterea datelor se face diferit, principală diferență constă în conectivitatea GSM la serverul de date ce sunt trimise direct către bază de date, ci nu sunt intermediate de o aplicație de conectivitate smarth phone și platformă mobilă de monitorizare dezvoltată în Norvegia, dar și controler-ul folosit în prezentul proiect este un LinKit SmarthDUO(ARDUINO) pe când în precedentul am folosit Intel Edison ceea ce este un controler foarte puternic dar costisitor, dar și alți senzori mai costisitori.

Pe lângă această putem spune că și spiritul de dezvoltare personală ce a fost indus de către exeprienta ERASMUS dar și simțul civic sunt poate unele dintre principalele motivații personale care m-au adus în dezvoltarea acestui proiect de diplomă.

Notiuni introductive si teoretice

Sisteme incorporate/dedicate (embedded systems)

Noțiunea de sistem incorporat este folosită tot mai des în zilele noastre în domeniul hardware și software. Un sistem incorporat poate fi definit ca și sistem dedicat, proiectat pentru a fi capabil să realizeze o anumită funcție într-un sistem mai complex, iar pentru aceasta sarcină are nevoie de intrări prin care să citească starea sistemului și de ieșiri pentru controlul unor procese.

Tot mai multe dispozitive folosite zi de zi au la bază un microcontroler. Chiar și un banal filtru de cafea sau un uscător de păr au la baza un astfel de circuit (compus dintr-o parte hardware pe care rulează o aplicație software). Tocmai din acest motiv înțelegerea funcționării unui microcontroler trebuie să existe în bagajul de cunoștințe al unui absolvent de electronică, electromecanică sau calculatoare.

Pentru a deschide subiectul despre un sistem incorporate trebuie definit in primul rand notiunea de sistem. Ce este si ce reprezinta un sistem? [3]

Un sistem reprezintă un aranjament, în care toate elementele componente ale acestuia funcționează împreună pe baza unui set de reguli bine definit. Un sistem poate fi deasemenea definit ca un mod de a lucra, organiza sau de a îndeplini una sau mai multe sarcini în conformitate cu un plan fix, pe baza unui set de reguli bine definite. De exemplu, un ceas reprezintă un sistem de afișare a timpului. Componentele acestuia urmează un set de reguli bine definite pentru a afișa timpul. Dacă una din piesele componente ale ceasului se defectează, ceasul va înceta să funcționeze. Deci putem spune că într-un sistem toate elementele componente ale sale depind unul de altul. [3]

Noțiunea de încorporat (embedded), după cum sugerează și numele, este ceva care este atașat de un al lucru sau integrat în acel lucru, parte din acel lucru.

Astfel, revenind la noțiunea de sistem încorporat (embedded system), poate fi privit ca un mini-computer din punct de vedere hardware, având un program (software), încorporat sau integrat în el.

Un sistem incorporat poate fi un sistem independent sau de cele mai multe ori, este parte a unui sistem mai mare. [3]

Un sistem încorporat(embedded system) este un sistem bazat pe un microcontroler sau un microprocesor, proiectat pentru a îndeplini sarcina stabilita prin tema de proiectare.

Mai departe vom pornii cu explicatii si vom dezvolta subiectul pentru ceea ce inseamna un sistem incorporate sau dedicate, ambele avand in esenta aceasi valoare.

De exemplu, o alarmă de incendiu este un sistem încorporat, care va detecta numai fumul. [3]

Un sistem încorporat este alcătuit din trei componente principale:

sistemul hardware sau simplu, hardware;

programul sau aplicația software;

sistem de operare în timp real sau RTOS(Real-Time Operating System);

Sistemul de operare în timp real (RTOS) supraveghează aplicația software, deasemenea definește modul în care funcționează sistemul încorporat per ansamblu si stabilește regulile de execuție a aplicației software (programului), chiar in timpul execuției programului (aplicației). Unele sisteme încorporate la scara mica nu conțin un sistem de operare în timp real(RTOS).

Asadar putem define un sistem integrat (embedded system) ca un sistem bazat pe un microcontroler, controlat prin software, de incredere, un sistem de control în timp real.

Printre numeroasele avantaje ale sistemelor incorporate se numeră:

ușor de personalizat

consum redus de putere

cost scăzut

performanță îmbunătățită

De asemenea, întâlnim dezavantaje ale sistemelor încorporate:

efort de dezvoltare foarte mare;

disponibil pe piață un timp îndelungat;

costuri ridicate de proiectare a prototipului;[3]

Caracteristicile unui sistem încorporat

Printre cele mai importante caracteristici ale unui sistem dedicat amintim următoarele:

Funcționalitate unică – un sistem încorporat/dedicat, este proiectat pentru a efectua o operație specializată pe care o execută în mod repetat. De exemplu: colectarea într-o buclă infinită a unui sistem de achiziții de date;

Constrângeri de proiectare– toate sistemele de calcul au constrângeri în ceea ce privește valorile de proiectare (metrici), însă la sistemele încorporate constrângerile care apar sunt mari și stricte. Prin intermediul valorilor de proiectare (metrici) este măsurată o implementare a unor caracteristici esențiale precum ar fi costul cip-ului, dimensiune, putere și performanță. Acest sistem dedicat, trebuie sa fie de dimensiune mică sau foarte mică, pentru montarea acestuia pe un singur cip, trebuie să fie destul de rapid pentru procesarea datelor în timp real și consumul de energie trebuie să fie cât mai scăzut pentru a eficientiza și pentru a prelungi durata de viață a bateriei.

Reactie in timp real – foarte multe sisteme încorporate trebuie să reacționeze în mod continuu la schimbările mediului în care se află sistemul, dar în același timp trebuie să proceseze datele în timp real fără nici o întârziere.

Sistemele dedicate bazate pe microprocesoare – cipul trebuie să fie bazat pe un microprocesor sau un microcontroler.

Memoria – trebuie să aibă o memorie, deoarece programul sau software-ul lui este încorporat în memoria ROM(read-only memory), neavând nevoie de alte memorii încorporate/integrate în propriul cip. Cu toate acestea mai exista si memoria de tip RAM(random acces memory) care ca și costuri este mult mai ieftin de implementat. Diferența dintre cele doua constă în faptul că memoria ROM dispune de pastrarea informației pe cand memoria RAM dupa scoaterea de sub tensiune aceasta își pierde informația. Deci startarea unui program nu se poate face fară ajutorul memoriei ROM care trebuie sa fie implementată atât cât este nevoie într-un mod eficient.

Conectat – acestea trebuie să aibă periferice conectate pentru a putea conecta dispozitive de intrare și de ieșire.

Sisteme hardware-software (HW/SW) – Software-ul (programul) este folosit pentru funcționalități și flexibilitate, iar hardware-ul este folosit pentru performanță și securitate.[3]

Structura unui sistem încorporat

Următoarea figură ilustrează parțile componente ale unui sistem încorporat:

Fig. 2.1 Parțile componente ale unui sistem încorporat [1]

Elemente component ale sistemului:

Senzori – aceștia măsoară cantitatea fizică ce urmeaza a fi transformata într-un semnal electric ce poate fi citit de către un observator sau prin orice instrument electronic cum ar fi un convertor analog-digital sau ADC (analog to digital converter) sau mai mult folosit intr-un algoritm de calcul pentru indicarea anumitor proprietati ce sunt de interes.

Convertoare analog-digitale – un convertor analog-digital sau analog-numeric, cunoscut sub denumirea generică de ADC sau analog to digital converter, convertește semnalul analogic transmis de un senzor într-un semnal digital (semnal numeric).

Procesoare și ASIC-uri(ASICs) – procesoarele prelucrează sau procesează datele măsurate de către dispozitivele externe (ex. senzori), iar apoi rezultatele prelucrării sunt fie stocate în memorie, fie transmise mai departe catre o platformă de stocare a datelor. Exemplu: server de stocare a datelor (online) putâdu-le accesa oricând.

Convertoare digital-analogice – un convertor digital-analogic sau numeric-analogic, cunoscut sub denumirea generică de DAC sau digital to analog converter, convertește datele digitale (numerice) primite de la procesor în date analogice (semnal analogic).

Dispozitive de acționare sau actuatore – un dispozitiv de acționare sau actuator compară ieșirea dată de un convertor digital-analogic (DAC) cu valoarea care provine de la un dispozitiv extern (senzori), iar daca valoarea primită de la senzori, este în intervalul de valori date de convertorul analog-digital, atunci valoarea primită este corectă și aprobată.[3]

Diferența dintre un microporcesor și un sistem încorporat

Procesorul este “creierul” unui sistem încorporat fără de care unitatea de bază care preia datele de intrare și produce date de ieșire după procesarea acestora, nu poate funcționa. Pentru un proiectant de sisteme dedicate este necesar ca acesta sa aibe cunostinte atât de microprocesoare cât și de microcontrolere.

Un procesor are două unitati esențiale:

Unitatea de control a programului (CU): CU-ul include o unitate de preluări pentru preluarea instrucțiunilor din memorie. UE are circuite care să pună în aplicare instrucțiunile referitoare la operațiunea de transfer de date și de conversie de date de la o formă la alta.

Unitatea de executie (EU): UE include Unitatea Aritmetico-logică (ALU), precum și circuitele care execută instrucțiuni pentru o sarcină de program de control, cum ar fi de întrerupere, sau să sară la un alt set de instrucțiuni.

Un procesor execută ciclurile descărcate (fetch instruction) și execută instrucțiunile din aceeași secvență în care acestea sunt preluate din memorie.

Procesoarele pot fi:

microprocesoare

microcontrolere

procesoare integrate sau incorporate

procesoare de semnal (DSP)

procesoare media, etc… [4]

Microprocesorul este unitatea centrală de procesare (CPU), a unui calculator care este realizeazată de cele mai multe ori pe o singură plăcuță de siliciu sau alt tip de material semiconductor (chip-ul), care poate depași în momentul de fată peste un milion de tranzistoare. Microprocesorul efectuează operațiile esențiale de prelucrare logică și controlează celelalte elemente ale sistemului de calcul. Microprocesorul mai poate fi supranumit și „creierul calculatorului”. [5]

Un microcontroler, este o structură electronică destinată controlului unui proces sau, mai general, a unei interacțiuni caracteristice, cu mediul exterior, fără intervenția operatorului uman, sau o altă definiție ar putea fi că aceasta reprezintă, un microcircuit care încorporează o unitate centrală pentru procesarea logică și o memorie, dar și cu ajutorul resurselor periferice care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.[6]

Deasemenea, un microcontroler sau denumit microcomputer este alcătuit dintr-un singur cip de tip VLSI (Very-Large-Scale-Integration) sau integrarea pe o scară foarte mare a circuitelor electronice, care deși au capacități de procesare limitată, are capacitatea de a efectua calcule sau procesări, deasemenea are capacitatea de a procesa date de intrare-ieșire foarte rapid și un număr de unități funcționale integrate în cip foarte mare.

Principalele unități integrate în cip-ul unui microcontroler sunt:

Fig 2.3 Ce este in cipul unui microcontroler [1]

In special, microcontrolerele sunt utilizate în domeniul sistemelor încorporate pentru aplicații de control în timp real, având memorie și alte dispozitive integrate în cip cum ar fi CPU, RAM, ROM, etc. [3]

Principalele diferențe dintre un microprocesor și un microcontroler sunt:

Tabel 2.4 Diferența dintre µC si µP [1]

Conceptul “Interent of Things – IoT”

Internetul tuturor lucrurilor sau în limba engleză “Internet of Things – IoT”, este un concept care definește o lume în care toate obiectele cum ar fi mașini, electrocasnice, sisteme de iluminat, dispozitive mobile, dispozitive portabile pot fi interconectate între ele cu ajutorul internetului.

Sistemele “Internet of Things – IoT”, permit utilizatorilor să beneficieze de sisteme automatizate foarte dezvoltate, permit analiza și integrarea lor cu ușurință alături de alte sisteme ce pot fi la rândul lor adaptabile ulterior. Sistemele IoT utilizează tehnologii existente și emergente pentru detecție, rețele și robotică. Elementele noi și avansate ale sistemelor IoT aduc schimbări majore în livrarea de produse, bunuri și servicii pentru imbunatatirea vietii umane.[7]

Caracteristici IoT

Unele dintre cele mai importante caracteristici ale sistemelor “Internet of Things – IoT”, includ inteligența artificială, conectivitate, senzori, implicare activă și utilizarea dispozitivelor de dimensiune cât redusă pentru economisirea spațiului.

Voi dezvolta subiectul și voi amanunți caracteristicile mai jos:

Inteligență artificială – AI – sistemele IoT, fac practic orice lucru inteligent, îmbunătățesc fiecare aspect al vieții prin puterea foarte mare de colectare și procesare rapidă a datelor, prin folosirea de algoritmi de inteligență artificială și a rețelelor de calculatoare. De exemplu acesta inteligenta poate fi folosita la un frigider pentru a te anunta cand esti aproape sa ramai fara lapte/cereale.

Conectivitate – prin intermediu noii tehnologii generice pentru crearea de rețele, mai specific în rețeaua IoT, rețelele medii nu mai sunt legate în mod exclusiv la furnizorii majori. Rețelele pot exista pe o scară mult mai mica, fiind mai ieftine în timp ce este încă practic. IoT creează aceste rețele mici între dispozitivele sale de sistem.

Senzori – sistemele “Internet of Things” își pierd distincția fără existența senzorilor. Senzorii acționează ca instrument definitoriu care transformă aceste sistem IoT”, dintr-o rețea pasivă de dispozitive într-un sistem activ capabil să integreze dispozitivele din rețea si să proceseze date în timp real.

Implicare activă – o mare parte din interacțiunea de azi cu tehnologia conectată se întâmplă printr-un mediu cu implicare pasivă. Conceptul “Internet of Things – IoT”, introduce o nouă paradigmă pentru conținut activ sau în timp real, produse sau servicii.

Dispozitive de dimensiune redusă – dispozitivele, după cum a fost predicționat, au devenit mai mici sau au o dimensiune redusă, mai ieftine și mai puternice de-a lungul timpului. Acest conceptul ”Internet of Things – IoT”, exploatează dispozitive care au o dimensiune redusă special construite pentru a oferi precizie, scalabilitate și versatilitate. [7]

Avantajele dispozitivelor “Internet of Things – IoT”:

Optimizare tehnologică – aceleași tehnologii și date care îmbunătățesc experiența clienților, inbunatatesc utilizarea dispozitivelor, iar toate aceste îmbunătățiri duc la dezvoltarea de noi tehnologii mai rapide și mai puternice.

Consum redus de deșeuri – sistemele “Internet of Things – IoT”, datorita faptului ca oferă informații din mediul înconjurător în timp real, această caracteristică poate să conducă la o gestionare mai eficientă și inteligentă a resurselor.

Colectare eficientă a datelor – sistemele actuale de colectare a datelor în unele cazuri sunt ineficiente din cauza limitărilor datorate modului de implementare și a utilizării pasive. Sistemele ”Internet of Things – IoT”, colectează datele mult mai eficient deoarece le plasează exact unde oamenii le caută sau au nevoie de ele, astfel cu ajutorul acestor sisteme este realizată o selecție mult mai corectă și mai precisă a datelor. [7]

Dezavantajele dispozitivelor “Internet of Things – IoT”:

Securitate – prin intermediul sistemelor “Internet of Things – IoT”, sunt create ecosisteme de dispozitive conectate între ele prin intermediul unei rețele, care comunică între ele, astfel în ciuda oricăror măsuri de securitate, sistemele IoT oferă control redus din partea utilizatorilor, astfel acest lucru lasă utilizatorii să fie expuși la diferite tipuri de atacuri.

Intimitate – un dezavantaj major al dispozitivelor “Internet of Things – IoT”, îl reprezintă faptul că colectează date din mediul înconjurător inclusiv date despre utilizatorii care folosesc aceste dispozitive, astfel sunt colectate date cu caracter personal foarte detaliate fără înștiințarea activă a utilizatorului.

Complexitate – unele sisteme “Internet of Things – IoT”, pot fi considerate complicate în ceea ce privește proiectarea, implementarea și întreținerea deoarece sunt interconectate mai multe tehnologii între ele și un set larg de tehnologii generice.

Flexibilitate – principala îngrijorare în legătură cu flexibilitatea a unui sistem “Internet of Things – IoT”, o reprezintă integrarea cu ușurință alături de alte sisteme, altfel în noul sistem pot apărea conflicte în ceea ce privește integrarea iar acestea pot duce la blocarea sistemului.

Conformitate – dispozitivele “Internet of Things – IoT”, ca orice altă tehnologie expusă spre comercializare trebuie să respecte anumite reglementări în ceea ce privește punerea pe piață a unor produse. Complexitatea acestor sisteme face ca reglementarea lor pe piață, pentru a fi expuse spre comercializare să reprezinte o provocare, atunci când conformitatea software-ului cu sistemul reprezintă o adevărată bătălie. [7]

Interent of things- Hardware

Hardware-ul utilizat în cadrul sistemelor “Internet of Things – IoT”, poate include dispozitive pentru control la distanță, dispozitive pentru control al proceselor, servere, routere și senzori. Aceste dispozitive gestionează sarcini și funcționalități cheie cum ar fi activarea anumitor sisteme în funcție de specificații, securitate sau să sprijine anumite obiective și acțiuni.[7]

Senzori “Internet of Things – IoT”

Unul dintre cele mai importante piese hardware din cadrul sistemelor de tip “Internet of Things – IoT”, îi reprezintă senzorii. Alte dispozitive care ar puteat face parte din cadrul sistemelor “Internet of Things – IoT”, pot fi modulele de înmagazinare a energiei, modulele de gestionare a energiei, modulele de radio-frecvență, modulele Bluetooth, modulele Wireless și modulele senzorilor folosiți in detecția diferitelor cantități fizice. [7]

O listă cu cei mai des folosiți senzori și dispozitive, în cadrul sistemelor “Internet of Things – IoT”, sunt:

Tabel 2.5. Senzori si dispositive IoT [7]

Dispozitive “wearables” – ”Wearables electronic”

Un bun exemplu sunt dispozitivele electronice de purtat – “wearables electronic”, sunt dispozitive mici care pot fi purtate atât la gât, pe cap, cât și la mâini și picioare.

Fig. 2.6 Ceasurile inteligente [2]

Nu numai ca ceasurile inteligente ne ajută să rămânem conectați, ci ca parte a unui sistem de tip IoT, ele permit accesul necesar la anumite aplicații pentru îmbunătățirea productivității. [2]

Printre dispozitivele inteligente “de purtat”, cunoscute sub numele de “smart wearables”, se numără: [7]

Pentru cap (head) – căști de protecție, ochelariș

Pentru gâtb (neck) – bijuterii, guler;

Pentru brațe, mâini, degeteb (arm) – ceasuri, brățări, inele;

Pentru corp (body) – îmbrăcăminte, rucsacuri;

Pentru picioare (feet) – șosete, pantofi;

Dispozitive standard

Desktop-ul, tableta, telefonul mobil sau smart phone-ul, rămân parte integrată din cadrul sistemelor “Internet of Things – IoT”, ca și dispozitive de comandă și control a acestora.

Desktop-ul – oferă utilizatorului cel mai înalt nivel de control asupra sistemului și a setărilor acestuia.

Tableta – oferă acces la caracteristicile cheie ale sistemului într-un mod asemănător desktop-ului și de asemenea se comportă ca un dispozitiv de comandă și control de la distanță (remote).

Telefon mobil sau smart phone – permit efectuarea de modificări esențiale asupra unor setări și oferă deasemenea funcționalitatea de control de la distanță (remote).

Alte dispozitive cheie, la care sunt conectate dispozitivele “Internet of Things – IoT”, includ dispozitivele standard de rețea cum ar fi routere și switch-uri. [7]

Interent of things – software

Software-ul sau aplicațiile utilizate în cadrul sistemelor “Internet of Things – IoT”, are o importanta deosebita, le îmbunătățesc pe acestea prin adăugarea de caracteristici și funcționalități dorite. Aplicațiile folosite în cadrul acestor sisteme sunt responsabile de colectarea datelor, integrarea dispozitivului în rețea alături de alte dispozitive, preluarea și analiza datelor în timp real, de întreținerea aplicaților existente și extinderea proceselor existente în cadrul rețelei de dispozitive “Internet of Things – IoT”. Prin intermediul acestor caracteristici, în cadrul rețelei de dispozitive IoT, pot fi integrate diferite sisteme critice conectate cu alte sisteme pentru a executa anumite sarcini sau task-uri.[7]

Colectarea datelor – cu ajutorul software-ului de colectare a datelor, sunt gestionate datele care vin de la senzori conectați în sistem, filtrarea datelor se realizează după anumite reguli care vin de la senzori sau alte dispozitive interconectate în sistem, securitatea datelor din cadrul sistemului și agregarea datelor din sistem. Astfel sunt colectate date de la diferite dispozitive conectate în rețea, iar aceste date sunt distribuite, în conformitate cu anumite setări, unui server central sau altor dispozitive conectate în rețea.

Integrarea dispozitivelor în rețeaua IoT – software-ul de integrare leagă între ele toate dispozitivele existente în rețea pentru a crea un nou sistem, care să facă parte din conceptul IoT, acesta devenind un sistem de tipul IoT, deasemenea acestea asigură cooperarea necesară și crearea de rețele stabile între dispozitive, astfel, fără existența acestor aplicații, care sunt elementele definitorii ale unui sistem de tip “Internet of Things – IoT”, fară de care nu putem vorbi de un astfel de sistem.

Analiza datelor în timp real – aceste aplicații preiau date de la diferite dispozitive, iar aceste date sunt transformate pe baza unor algoritmi de prelucrare a datelor, în modele clare pentru a fi analizate de către oameni. Aceste aplicații analizează datele pe baza unor setări sau modele definite de către algoritmi de prelucrare a datelor, cu scopul de a executa anumite sarcini în mod automat sau de a furniza datele cerute de către sistem prin intermediul intervenției umane.

Aplicarea și extinderea proceselor – acest tip de aplicații îmbunătățesc caracteristicile sau funcționalitățile sistemului, acestuia adăugându-se funcționalități noi sau îmbunătățindu-se cele existente, făcând sistemul să aibă o utilitate mai mare și să devină mult mai eficient, astfel este îmbunătățită productivitatea, iar colectarea datelor devine mai eficientă. [7]

Senzorii în folosul oamenilor în contextul oraselor inteligente

Din 2009, mai mult de 50 la sută din populația lumii trăiește în zone urbane, iar acest număr este prognozat să crească în următorii ani. Orașele ocupă doar 2 la sută din suprafata planetei, dar reprezintă 60-80 la sută din consumul de energie. Pe măsură ce dimensiunile orașelor cresc, cresc si provocărilor cu care se confruntă orașele. Aceste provocări includ aspecte legate de problemele de mediu, de sănătate publică și factorii socio-economici, consumul de energie, planificarea transportului și altele. Poluarea aerului cauzată de blocajele de trafic este doar un exemplu concret al numeroaselor provocări cu care se confruntă orașele în creștere. În scopul de a reduce traficul și impactul asupra mediului, este necesar să se pună în aplicare mijloacele de transport public sigure, fiabile, rapide și necostisitoare. Prin urmare, este o nevoie evidentă ca aceste orașe să fie „inteligente”. Dameri și Coccia rezuma obiectivele majore ale orașelor inteligente:[8]

• Îmbunătățirea calității mediului în spațiul urban, reducerea emisiilor de CO2, a traficului și a deșeurilor;

• Optimizarea consumului de energie, prin transformarea clădirilor, aparate de uz casnic și dispozitive electronice mai eficiente energetic, completate de reciclare a energiei și utilizarea energiei din surse regenerabile;

• Creșterea calității vieții, furnizarea de servicii publice și private mai bune, cum ar fi transportul public local, serviciile de sănătate, și așa mai departe.[8]

În această lucrare, voi argumenta pentru aplicarea de senzori și de analiză de date pentru rezolvarea unora dintre provocările cu care se confruntă orașele. Există o legătură între orașe inteligente și conceptele de clădiri inteligente și utilizatorilor inteligenti. Orașe inteligente se referă la locurile în care tehnologia informației este combinata cu infrastructura, arhitectura, obiecte de zi cu zi, și chiar și corpurile noastre de a aborda problem sociale, economice și de mediu . Examinarea modului de a realiza această conexiune între TIC (tehnologia informației și calculatoarelor) și lumea din jurul nostru este punctul central al lucrării noastre.

Clădirile inteligente și casele inteligente se referă la utilizarea infrastructurii incluse in acestea pentru a oferi siguranță și securitate, divertisment, gestionarea îmbunătățită a energiei și de monitorizare a sănătății. O clădire inteligentă sau o casă inteligentă se bazează pe utilizarea tehnologiilor de senzori pentru a realiza acest lucru. Datele colectate de astfel de senzori pot fi agregate și utilizate de către oraș pentru diverse scopuri. Senzorii pot furniza informații de aplicare a legii, intervenții de urgență, de gestionare a energiei, servicii de îngrijire la domiciliu, protecția mediului, planificare urbană, și a sistemelor de transport inteligente. [8]

Conceptul de Internet-of-Things (IoT) se caracterizează prin dispozitive conectate la Internet, care pot face schimb de date cu sisteme computerizate externe. În contextul orașelor inteligente, astfel de dispozitive pot monitoriza traficul, poluarea, nivelul de zgomot, utilizarea de energie electrică, etc. [8]

Hardware-ul ieftin, cum ar fi Raspberry Pi, Intel Edison, Arduino, NodeMCU și a ecosistemelor lor de senzori, ne permit să implementam tehnologii de senzori pe scară largă. Astfel de dispozitive “low cost” pot furniza informații valoroase pentru optimizarea consumului de energie, infrastructură și planificarea transportului public, precum și de răspuns de urgență și alte servicii vitale. Aplicarea senzorilor este doar primul pas spre orașe mai inteligente.

Următorul pas implică utilizatorii inteligenți. Utilizatorii inteligenți se referă la nivelul înalt al educației în societățile dezvoltate, permițându-le să utilizeze tehnologii, cum ar fi telefoanele inteligente pentru a crea orașe mai bune. Orașele în sine, un telefon sau un computer nu sunt inteligente, cu excepția cazului în care persoana o foloseste pentru un scop specific avut in minte. De fapt, inteligența aparentă a sistemelor de calcul provin din cantitatea inteligenței umane, care a fost investită în ea.

Participarea cetățenească este văzută ca un element important în orașe inteligente. Studiile arată o relație cauzală între un nivel ridicat de educație și de creștere a numărului de locuri de muncă disponibile. În contextul nostru, vedem ca cetățenii furnizeaza date de intrare prin proiecte de participare tradiționale, dar, de asemenea, în calitate de furnizori de date pentru analiză. Cetățenii pot furniza date prin intermediul telefoanelor lor inteligente, fie în mod activ sau fie pasiv (cu acordul lor), iar aceste date pot, împreună cu datele preluate de senzori de pe clădiri, să fie folosite pentru a analiza și vizualiza modelele de trafic de circulație prin oraș și între orașe, factorii de mediu etc.

Vom aplica aceste concepte la cadrul de planificare a unui oraș inteligent, în scopul de a prezenta un proiect de cercetare pentru aplicarea de senzori și de analiză în planificarea oraselor inteligente. Această abordare este în parte rezultatul unei colaborări permanente cu regiunile de analiză de afaceri. [8]

Lumea senzorilor

Un senzor este o componentă capabila să detecteze o schimbare în mediul său și de a converti această schimbare într-un semnal electric. Semnalul returnat de un senzor poate fi binar (pornit / oprit), o valoare într-un interval, de exemplu, temperatura, lumina, vânt , umiditate, precipitații, poziție, și accelerație. Senzorii camerei foto returneaza imagini sau chiar fluxuri de imagine. Deoarece senzorii funcționează în timp real, ele pot produce cantități mari de informații. Prin urmare, senzorii sunt în mod normal conectați la un fel de unitate care monitorizează schimbările, și transmite informații la intervale regulate, sau în cazul în care schimbarea este destul de mare. Partea din stânga a Figurii 2.7 arată modul în care senzorii sunt conectați la o unitate de agregare și preprocesare. [8]

Fig. 2.7 Senzori conectați la o unitate de agregare și preprocesare [8]

Multe dispozitive mobile au construit în componența lor senzori, de exemplu, un senzor GPS, camera foto sau accelerometru. Numărul de senzori încorporați este de așteptat să crească cu noi versiuni. Mașinile mai noi, de asemenea, au construit în computere senzori de intrare pentru manipulare, de prelucrare locală și comunicații. Potrivit lui Abdelhamid et al. un model de masina 2013 are în medie 70 de senzori, în timp ce modelele de lux pot avea mai mult de 100 de senzori. Se preconizează că numărul de senzori să crească. [8]

Aplicațiile tipice pentru dispozitivele montate portabile sau auto sunt monitorizarea și estimarea traficului. Dispozitivele trimit coordonatele lor, iar software-ul serverului care primește aceste informații decide dacă un traseu de trafic specific este înfundat sau nu.

O altă aplicație este monitorizarea mediului. Un exemplu este proiectul Green Watch. Proiectul a distribuit 200 de dispozitive inteligente pentru cetățenii din Paris. Dispozitivele detecteaza nivelurile de ozon și de zgomot în timp ce, cetățeni își trăiau viața lor normală, iar rezultatele fiind partajate printr-un motor de cartografiere. Proiectul a arătat modul în care o rețea de detectare Grassroot ar putea reduce dramatic costurile, și, de asemenea, implicarea cetățenilor în monitorizarea și reglementarea mediului. Bröring et al. a folosit interfața încorporată de diagnosticare a mașinilor (OBD-II) pentru a obține date de la senzori utilizați pentru a estima consumul curent de combustibil, a emisiilor de CO2, zgomot, mișcarea înceata a traficului și timpul în care acesta este oprit. [8]

Cetățenii pot acționa, de asemenea, ca ei înșiși senzori, prin raportarea a ceea ce observă. Un exemplu este www.FixMyStreet.com , o aplicație web care permite cetățenilor să raporteze problemele cu drumuri și alte tipuri de infrastructură. Astăzi, dispozitive low cost (de exemplu, Raspberry Pi, Intel Edison, Arduino si NodeMCU), au atât capacități de procesare, cat și de comunicare. Astfel de dispozitive pot fi conectate cu ușurință la diferite tipuri de senzori, și poate prelucra local datele, înainte de ambalare a rezultatelor și trimiterea acestora la o instalație centrală de procesare pentru prelucrare ulterioară, analiză și vizualizare. Raspberry Pi 3 și Intel Edison au incorporat capabilități de comunicații fără fir, care fac conectarea mult mai ușor la nivelul întregului oraș de rețelele Wi-Fi. Componente separate sunt disponibile pentru a fi conectate la dispozitive de rețele mobile. Cele mai evidente exemple pot fi găsite în următoarele domenii:

• Siguranță și securitate;

• Monitorizarea și controlul energiei: contoare de energie inteligentă;

• Protecția mediului;

• Sănătate.

Siguranță și securitate

Un aspect important al orașelor inteligente și a clădirilor inteligente este de a face oamenii să se simtă în siguranță. Senzorii pot fi utilizati pentru o multitudine de aplicații, atât pentru a asigura proprietatea, cat și de păstrare a condițiilor de siguranță a cetățenilor. Aceseta includ alarme de siguranță, camere de supraveghere, de detectare a incendiilor și alarme de inundații. Astfel de alarme se pot conecta la instituțiile de aplicare a legii și de răspuns in caz de urgență, dar, de asemenea, operatorilor privați și vecinilor de încredere. Compania norvegiană Lyse, inițial o companie de utilitati electrice, a dezvoltat inteligent www.smartly.no , o soluție integrată pentru controlul temperaturii și iluminatului, alarme de casa și de supraveghere, de divertisment și de detectare a incendiilor. Alarmele pentru incendiu și case sunt conectate la operatorii care vor verifica ce se întâmplă în cazul unei alarme.[8]

Monitorizarea și controlul energiei: contoare de energie inteligentă

Senzorii pot fi utilizati pentru a monitoriza temperatura și lumina. Detectarea mișcărilor poate aprinde luminile și aerul condiționat pot fi optimizate pentru a nu risipi inutil energie. Contoarele inteligente pot oferi informații utile pentru planificarea energiei, și pentru a preveni penele de curent prin ajustarea prețului de energie electrică. Fregonara și Curto sugerează dezvoltarea unui instrument care încorporează date de la agentiile imobiliare, tehnologia mediului, arhitectura și știința materialelor, ceea ce ar face clădirile noi mult mai eficiente energetic decât în prezent. Alți cercetători au dezvoltat cadre de monitorizare cuprinzătoare în vederea creșterii eficienței energetice. Cele mai multe dintre datele necesare sunt disponibile prin diverse surse, dar nu este conectată încă într-un tot, astfel încât acesta să ofere o imagine globală. [8]

Protecția mediului

Prin colectarea de date din mediu, clădirea în sine și orașul poate obține avertismente timpurii asupra nivelurilor de poluare și alte probleme de mediu, și să inițieze acțiunile necesare. În acelasi timp ar fi necesar sa fie construite noi infrastructuri și poate chiar extinse cele vechi (adică, în transportul public), se pot face mai multe prin creșterea de informații și accesul la informații despre ce alegere poti face. Acest lucru ar putea duce la cetățeni care pot fi mai conștienți de amprenta lor asupra mediului, și, astfel cetatenii pot face alegeri mai bune. La Stockholm, un studiu pilot de «”smart urban metabolism”» date din diferite surse pentru a analiza datele relevante și să intervină în cazul în care este nevoie. Ca și mai sus, de asemenea, in urma acestui studiu s-a constatat că o mare parte din date sunt deja disponibile, dar nu au fost încă legate și utilizate în scopuri de mediu. [8]

Sănătate

Cetățenii în vârstă doresc să trăiască în casele lor, atâta timp cât se simt în siguranță. Senzorii pot fi utilizati pentru monitorizarea sănătății de zi cu zi, în cazul în care datele sunt trimise la personalului medical, dar, de asemenea, sa poata detecta urgențele medicale. Boulos și Al-Shorbaji discută cum senzorii din cadrul IoT cuplați la analiză de date pot contribui la o populație mai sănătoasă, și un punct al Organizației Mondiale a Sănătății (OMS), proiect dezvoltat pentru “orașe sănătoase”, iar obiectivul Regatului Unit de a cheltui 45 de milioane lire pe IoT , dar si pe tehnologii conexe. Un alt studiu discută despre modul în care tehnologia poate fi utilizată pentru a atenua consecințele focarelor de gripă, prin răspândirea de informații pentru persoanele din zonele infectate. [8]

Senzori și traductoare în automatizări din domeniul Electromecanic

Automatizarea este o ramură a tehnicii inginerești, cu scopul ca mașinile și instalațiile să lucreze în mod automat, cu alte cuvinte independente de o continuă sau o directă intervenție umană.

Cu cît acest țel este realizat mai optimal, cu atît este mai ridicat gradul de automatizare. In instalațiile automatizate operatorul uman preia sarcini de supraveghere, de aprovizionare cu material, de transport a produselor finite, de întreținere și alte activități similare. Noile realizări ale electrotehnicii (microprocesoare) accelerează hotărîtor procesele de automatizare. Pe lîngă protejarea forței de muncă umane de activități grele și monotone, automatizarea ridică calitatea produselor precum și productivitatea proceselor cu o reducere corespunzătoare a costurilor pentru resursele umane folosite.[9]

Senzorii și traductoarele sunt sisteme complexe destinate monitorizării stării mărimilor fizice ale proceselor cu scopul de a furniza semnale electrice de tip analogic sau numeric necesare analizei acestora în vederea corectării procesului. Semnalele analogice vor fi furnizate de senzorii care monitorizează: nivele de iluminare, nivele de temperatură, zgomot, vibrații, presiuni, debite, turații etc. Semnalele electrice sunt nivele de tensiune sau curenți ce au evoluții care evoluează analogic cu mărimea fizică a procesului controlat. În acest caz mărimile de referință sunt nivele de tensiune programate prin divizoare rezistive sau prin generatoare PWM(Pulse-width modulation). Pentru deplasări sau poziționări, senzorii sunt de tipul senzori de proximitate sau encodere de deplasare.[9]

Componentele principale ale traductoarelor

Elementele sensibile ale traductoarelor[10]

Un element sensibil (ES) reprezintă partea cea mai importantă dintr-un traductor. Acesta permite detectarea mărimii de măsurat din categoria de mărimi ce activează în mediul înconjurător respingând la un minim acceptabil influența celorlalte. Dat fiind marea varietate a mărimilor de intrare care intervin în procesele automatizate ce trebuiesc măsurate cu ajutorul traductoarelor, rezultă cu alte cuvinte nevoia unei varietăți de tipuri de elemente sensibile (ES), corespunzătore unor aplicații specifice..

Structura unui traductor [10]

Elementele sensibile se clasifică în:

a)După principiul de conversie al mărimii fizice de intrare:

• elementele sensibile (ES) generatoareș

• elementele sensibile (ES) parametrice.

Principiul conversiei este important pentru studiul general al traductoarelor și evidențierea fenomenelor fizice care stau la baza funcționării acestora (modul de conversie al mărimii de măsurat într-un anumit tip de mărime electrică).

b) După natura mărimii fizice ce urmează a fi măsurată:

Elemente sensibile de tip parametric;

Elemente sensibile (ES) pentru: deplasare, viteză, forță, debit, radiație etc.;

Elementele sensibile (ES) parametrice (sau modulatoare) se utilizează atunci când mărimea de măsurat este pasiva, adică nu are asociata o putere suficienta, sau fenomenul fizic pe care se bazează conversia nu permite obținerea directa a unui semnal electric. Se numesc elemente sensibile parametrice deoarece mărimea de intrare ( neelectrica ) determina variația proprietăților de material care sunt de natura unui parametru electric de circuit (rezistenta electrica, inductivitate, capacitate sau combinații ale acestora).

Mărimile fizice de natura neelectrica din cele mai diverse domenii (mecanică, chimie, termotehnică, radiații) pot fi convertite în mărimi de natura electrica datorită legilor fizice care exprimă dependența parametrilor (R, L, C) menționați la anumite materiale (conductoare, semiconductoare sau dielectrice) în raport cu aceste mărimi.

Pentru a pune în evidență aceste variații este nevoie de o sursă de energie auxiliară care generează tensiune sau curent constant, a cărei valoare este modulată de variația parametrului respectiv, obținându-se astfel un semnal electric ale cărei variații reproduc pe cele ale mărimii de măsurat.

Relațiile fundamentale în funcționărea elementelor sensibile parametrice sunt urmatoarele:

a) Rezistența electrică a unui conductor omogen:

unde: l – lungimea conductorului; S – secțiunea conductorului; – rezistivitatea materialului;

b) Capacitatea unui condensator plan cu armaturi paralele:

unde – permitivitatea mediului; S – suprafața activa comuna a armaturilor; d – distanta între armaturi.

c)Inductivitatea proprie a unui bobine (luând în calcul circuitul magnetic liniar):

unde: N– numărul de spire al bobinei; lk– lungimea circuitului magnetic (k); µk si sk – permeabilitatea magnetica si secțiunea mediilor ce formează circuitul magnetic al bobinei.

Pentru fiecare din cele trei elemente sensibile parametrice (R, L, C) se vor prezenta tabelar atât fenomenele fizice pe care se bazează conversia măsurandului, cât si aplicațiile recomandate. [10]

Elemente sensibile (ES) rezistive (R) (Tabel 2.8) [10]

Tabel 2.8.a Elemente sensibile (ES) rezistive (R)

Elemente sensibile inductive (L) (Tabel 2.8.b) [10]

Tabel 2.8.b Elemente sensibile inductive (L)

Elemente sensibile capacitive (C) (Tab 2.8.c) [10]

Tabel 2.8.c Elemente sensibile capacitive (C)

Elementele sensibile (ES) parametrice sunt răspândite din cauza faptului că pot fi utilizate pentru conversia unei game foarte largi de mărimi cu domenii de variație diferită. Elemente sensibile de tip generator Elementele sensibile de tip generator (sau energetice) sunt utilizate în cazul mărimilor active, adică a acelor mărimi care asociază o putere ce poate fi utilizata pentru conversie fără a afecta valoarea mărimii măsurate. Aceste elementele sensibile (ES) furnizează la ieșire un curent, o tensiune sau o sarcină electrică având variații dependente de intrare . [10]

Pentru a influența cât mai puțin mărimea de măsurat, puterea luată de la aceasta trebuie sa fie cât mai mică. În practică se utilizează surse auxiliare de energie pentru asigurarea unor performante ridicate si pentru a permite a buna adaptare de impedanța cu circuitele receptoare din SRA.

Elementele sensibile electrochimice si piezoelectrice (și chiar fotoelectrice) impun cerințe speciale, deoarece ele sunt considerate generatoare de tensiuni electromotoare cu impedanța interna foarte mare, ceea ce atrage după sine condiții severe pentru impedanța etajului de intrare în adaptor cât si modul de realizare a conexiunilor electrice (rezistența de izolație foarte bună, ecranare etc.).

În tabelul Tabel 2.8.d sunt date principalele tipuri de elemente sensibile – generatoare, fenomenele fizice pe care se bazează conversia si aplicațiile posibile. Elementele sensibile (ES) de tip generator prezintă avantajul unei cuplări mai ușoare cu adaptorul, cât și structuri mai simple ale adaptorului, deoarece nu mai este necesară conversia unui parametru de circuit (R, L, C) într-un curent sau tensiune însâ este vorba de elemente sensibile electromagnetice.[10]

Tabel 2.8.d [10]

Tabel 2.8.d

În tabelul urmator Tabel 2.8.e este prezentată o succintă clasificare a ES dupa mărimile fizice detectate.

Tabel 2.8.e Clasificare a ES dupa mărimile fizice detectate

Observații:

1) – Același tip de element sensibil poate fi utilizat pentru detectarea unor mărimi fizice foarte diferite. Explicația consta în aceea ca urmărindu-se conversia într-o mărime electrica, este firesc ca elementele sensibile pasive sa fie tot de tipul R, L, C, iar cele generatoare sa furnizeze o tensiune, un curent sau o sarcina electrica. Al doilea argument consta în faptul ca variațiile parametrilor R, L, C sau tensiunile si curenții generați depind, la rândul lor, de o multitudine de factori care, în cadrul unor fenomene fizice convenabil explorate (uneori cu elemente de cuplare adecvate) pot fi influențate de diverse mărimi. [10]

2) – Pentru aceeași mărime fizica convertita pot fi utilizate mai multe tipuri de elemente sensibile. Alegerea celor mai potrivite elemente sensibile de face în funcție de:

• gama de variație a mărimii măsurate;

• posibilitatea de cuplare la proces; s

• factorii de mediu;

• performantele impuse;

• factorii economici. [10]

ADAPTOARE (AD)

Un daptor are rolul de a converti semnalul generat de elementul sensibil de la intrare într-un semnal electric de ieșire (Y) în general unificat. Semnalele de ieșire fiind reunite, rezultă că zonele de ieșire ale adaptoarelor sunt similare pentru același tip de semnal unificat. [10]

Diferențierile constructive al unui adaptor apar pe partea de intrare în traductoare, care preia mărimi diversificate (ca natură fizică și domeniu de variație) furnizate de elementele sensibile. Șiind că daptoarele de acest tip transformă variațiile parametrilor R, L, C în tensiune sau curent electric, rezultă că zonele de intrare în aceste adaptoare utilizează punți de curent continuu sau alternativ, funcționând în regim dezechilibrat. [10]

La ieșirea punților de măsurare se obține un semnal de dezechilibru care este amplificat si convertit (de etajul final al adaptorului) în semnal unificat. Pentru eliminarea perturbațiilor se utilizează (de regula) o bucla de reacție negativă astfel încât aceasta să includă aproape toate blocurile componente ale adaptorului. Daca schema de măsurare sau elementul sensibil prezintă neliniarități importante se prevăd în schema adaptorului blocuri de liniarizare (sub forma unor generatoare de funcții) plasate fie pe calea directa, fie pe calea de reacție a adaptorului. [10]

Structura unui adaptor pentru un element sensibil rezistiv este prezentată în următoare Figură 2.9:

Figura 2.9 Structura unui adaptor [10]

Elementele component [10] :

A – amplificator de tensiune continua;

SM – schema de măsurare tip punte Wheatstone în curent continuu (regim dezechilibrat);

BC – bloc de comparație care calculează diferența între DU = Ud – Ur ;

BR – bloc de reacție negativă care furnizează tensiunea Ur, proporțională cu semnalul unificat Ic. În unele cazuri blocului de reacție i se atașează si un circuit de liniarizare (BRL);

CTC – convertor tensiune – curent care asigura semnalul unificat de curent la ieșire (IC= [2…10] mA sau [4…20] mA;

BL – bloc de liniarizare introdus atunci când este necesar sa se compenseze neliniaritățile generate de elementul sensibil sau puntea de măsurare.

Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator [10]

Acest tip de adaptoare au aproape aceeași structură ca în Figura 2.9, dar lipsește schema de măsurare(SM). Semnalul furnizat de elementele sensibile este aplicat la intrarea amplificatorului. Dacă există reacție, comparația se realizează într-un singur montaj diferențial de tensiune. Deoarece schema de măsurare lipsește, daca se proiectare adecvat, adaptorul va realiza și o adaptare de impedanță, amplificatoarelor utilizate în compunerea acestor adaptoare li se impun o serie de cerințe care sunt în strânsă legătură cu caracteristicile semnalului furnizat de elementele sensibile. Printre cele mai întâlnite semnale generate de ES sunt următoarele:

• tensiuni continue de nivel foarte redus;

• tensiuni alternative cu frecvență variabilă în limite largi;

• tensiuni continue sau alternative obținute de la surse cu impedanța proprie foarte mare.

Daca dorim măsurarea tensiunii de nivel foarte redus de ordinul mV(104V), precum termocuplurile, este afectată de deriva tensiunii de decalare datorită rezistentei sursei de semnal, care este relativ mică. Exemplu: dacă termocuplul Pt. Rh-Pt are sensibilitatea 10µV/șC, iar amplificatorul are o derivă de tensiune de 15µV/șC, rezultă că la o variație a temperaturii de 10șC, deriva va fi de 150 µV ceea ce corespunde unei erori de temperatură de 15șC, ceea ce este neacceptabil. Pentru reducerea derivelor și implicit a erorilor de măsurare se utilizează amplificatoare integrate de măsurare, cu performanțe ridicate care pot asigura derive de 0,25 µV/șC sau 0,1 µV/șC, la fel ca cele realizate de amplificatoarele cu modulare-demodulare, dar nu la fel e costisitoare și constructiv mai simple. [10]

De exemplu traductoarele electromagnetice care utilizează semnale alternative cu frecvență variabilă în limite largi se utilizează amplificatoare de bandă largă 1Hz-106 Hz, care au cuplaje RC între etaje și au reacție negativă, pentru garantarea liniarității și amplificării constante pe întreaga lungime de bandă. [10]

Când sursa de semnal a elementelor sensibile are rezistența sau impedanța internă foarte mare, este de preferat ca în asemenea situații măsurarea să se realizeze fără consum de putere de la sursa de semnal (traductoare de pH, traductoare de debit electromagnetice, piezoelectrice).

În astfel de cazuri amplificatoarele integrate în adaptoare, denumite și amplificatoare electrometrice, trebuie să aibă impedanțe de intrare foarte mari. Se poate realiza acest lucru folosind:

• amplificatoare cu modulator utilizând diode varicap;

• amplificatoare realizate cu tranzistori de tip MOS.

Celelalte blocuri funcționale sunt aceleași cu cele descrise la adaptoarele pentru ES parametrice.

Traductoare numerice și adaptoare

Pentru reglarea sau conducerea numerica a proceselor este nevoie ca traductoarele să fie prevăzute cu ieșiri numerice. [10]

Traductoarele numerice au semnale de ieșire compatibile TTL(tristatate) – reprezentând valoarea măsurată în cod binar sau binar codificat zecimal. [10]

Obținerea semnalelor numerice la ieșirea traductorului este posibilă prin utilizarea unor convertoare analog-numerice (C.A.N.) care să transforme semnalul analogic (unificat) obținut la ieșirea unuia din adaptoarele prezentate anterior, într-un semnal numeric la ieșirea traductorului (Figura 2.10).

În conversia analog–numerica (C.A.N.), există convertoare realizate cu elemente discrete sau cu circuite integrate. În functie de principiile functionale, clee mai cunoscute CAN sunt: [10]

C.A.N. cu reacție:

• care au trepte egale de tensiune;

• care au aproximații successive;

C.A.N. prin integrare. C.A.N. au o complexitate mai mare ca și adaptoarele însa sunt mai scumpe, deci pentru a le folosi acestea trebuie sa se justifice economic.

Utilizarea C.A.N. se poate justifica daca se utilizează circuite electronice de multiplexare a ieșirilor analogice, pentru ca un singur C.A.N. sa fie utilizat pentru conversia a mai multor semnale analogice.[10]

Figura 2.10 – Schemă a traductorului cu semnal de iesire numeric [10]

Descrierea lucrarii/aplicației

Hardware

Hardware-ul reprezintă partea fizică a unui model informatic, care în comparație cu software-ul, ce se ocupă de partea logică — cea care controlează hardware-ul cu ajutorul unor programe (aplicații, sisteme de operare și drivere) — și de datele asupra cărora acționează respectivul sistem de calcul.

Hardware-ul constituie ansamblul elementelor fizice și tehnice cu ajutorul cărora datele se pot colecta, verifica, prelucra, transmite, afișa și stoca, apoi cadrul de memorare (dispozitivele de stocare) a datelor, precum și echipamentele de calculator auxiliare , cu alte cuvinte cuprinde toate elementele de tehnologia informației și rețele de calculatoare sesizabile.[11]

Componente hardware utilizate

Microcontrelerul LinKit Smart 7688 DUO

Ce este LinkIt Smart 7688 Duo?

LinkIt Smart 7688 Duo este una dintre cele mai avansate și mai compacte placi de dezvoltare hardware disponibile pe piață pentru prototipuri de tip IoT.

LinkIt Smart 7688 Duo este o placă de dezvoltare deschisă, compatibilă cu schițele Arduino Yún, bazată pe distribuția OpenWrt Linux, MT7688 și ATmega32u4. Placuța este concepută special pentru a permite prototiparea aplicațieiilor de tip IoT (Internet of Things) pentru platforme autonome, pentru birouri și/sau case inteligente. Deoarece este compatibil cu Arduino, acest lucru permite utilizarea funcțlor diferite de la Arduino Yún și LinkIt Smart 7688 Duo, care mă pot ajuta să construim aplicații bogate bazate pe schițe variate, robuste și compilate Arduino Yún. Placa oferă memoria și spațiul de stocare a pachetelor pentru a permite procesarea video robustă. Platforma oferă, de asemenea, opțiuni pentru crearea aplicațiilor pe dispozitive în limbaje de programare precum C, Node.js și Python. [12]

LinkIt Smart Duo 7688 este un produs realizat în colaborare de către Seeed Studio și MediaTek. Aceștia reunesc cunoștințele părtilor în domeniul hardware-ului deschis pentru crearea și dezvoltarea acestora, dar și a modelelor industriale de referință pentru dispozitivele IoT pentru a crea această placă puternică de dezvoltare. [12]

Caracteristici [12] :

• CPU (µP) MIPS de 580 MHz;

• Ieșiri unice / intrari unice (1T1R) Wi-Fi 802.11 b / g / n (2.4G);

• Pin-out pentru GPIO, I2C, SPI, SPIS, UART, PWM și port de Ethernet;

• 32MB memorie Flash și 128MB DDR2 memorie RAM;

• port micro USB;

• Slot pentru card de tip: Micro SD;

• Ofera suport pentru Arduino (ATmega32U4);

Figure 3.1 Placuta de dezvoltare LinkIt Smart DUO 7688 [12]

Date de catalog

Specificațiile plăcii de dezvoltare LinkIt Smart 7688 sunt prezentate în Tabelul 3.2.

Tabel 3.2 Specificații LinKit Smart 7688 Duo [12]

Diagrama bloc a placutei LinKit Smart 7688 Duo

Această diagramă ne poate ajuta să identificam și să cartografiem pinii de pe placa de dezvoltare LinkIt Smart 7688 Duo către dispozitivele periferice pe care dorim să le atașam prin interfețe cum ar fi GPIO, PWM, I2C, SPI, UART și multe altele. Pinii disponibili pentru LinkIt Smart 7688 Duo sunt ilustrați în Figura 3.3. Această diagramă pin-out poate fi descărcată de pe site-ul Web MediaTek Labs. [12]

Figura 3.3 Diagrama bloc a placutei LinKit Smart Duo 7688

Sensorul de temperatura „DS18B20”

Descriere [13]

Termometrul digital DS18B20 oferă citiri de temperatură de la 9 la 12 biți (configurabili) care indică temperatura dispozitivului. Informațiile sunt trimise la/de la DS18B20 printr-o interfață cu 1-Wire (un Fir), astfel încât numai un fir (și masa) trebuie conectat de la un microprocesor central la un dispozitiv DS18B20. Puterea pentru citire, scriere și efectuare a conversiilor de temperatură poate fi derivată din linia de date în sine, fără a fi nevoie de o sursă externă de alimentare. Deoarece fiecare DS18B20 conține un număr de serie unic de siliciu, mai multe DS18B20 pot exista pe aceeași magistrală de tip 1-Wire. Acest lucru permite plasarea senzorilor de temperatură în multe locuri diferite. Aplicațiile în care această caracteristică este utilă includ controlul mediului HVAC (Heating, ventilation and air conditioning = Încălzire, ventilație și aer condiționat), detectarea temperaturilor în clădiri, echipamente sau mașini, precum și monitorizarea și controlul proceselor.[13]

Caracteristici [13]:

Interfața unică 1-Wire necesită doar un singur port pentru comunicație;

Capacitatea Multidrop simplifică aplicațiile de detectare a temperaturii distribuite;

Nu necesită componente externe;

Poate fi alimentat de la linia de date;

Intervalul de alimentare este de la 3.0V până la 5.5V;

Putere de așteptare zero necesară;

Măsurarea temperaturilor de la -55 ° C la + 125 ° C;

Echivalentul de fahrenheit este -67 ° F până la + 257 ° F ;

± 0,5 ° C precizie de la -10 ° C la + 85 ° C ;

Rezoluția termometrului este programabilă de la 9 la 12 biți ;

Convertește temperatura pe 12 biți la cuvântul digital în 750 ms (max. ) ;

Setări de alarmă de temperatură definite de utilizator ;

Setările de alarmă de alarmă pot fi identificate și adresate dispozitivelor a căror temperatură se află în afara limitelor programate (starea de alarmă de temperatură) ;

Aplicațiile senzorului includ controale termostatice, sisteme industriale, produse de consum, termometre sau orice sistem sensibil la temperatură;

Asignarea Pinilor

Figura 3.4 Asignarea Pinilor la un senzor DS18B20 [13]

Descrierea Pinilor [13]:

GND- Ground (masă);

DQ – Data In/Out (intrare/ieșire date);

VDD – Power Supply Voltage (sursa de alimentare);

Prezentare generala [13]

Diagrama bloc din Figura 3.4 prezintă componentele principale ale DS18B20. Aceasta are patru componente principale de date: 1) ROM cu lasere pe 64 biți, 2) senzor de temperatură, 3) alarmă de temperatură nonvolatilă declanșează TH și TL și 4) un registru de configurare. Dispozitivul își obține puterea de la linia de comunicație 1-Wire stocând energia pe un condensator într-o perioada de timp în care linia de semnal este ridicată și continuă să opereze de pe această sursă de alimentare în timpul perioadelor reduse ale liniei 1-Wire până când se întoarce High pentru a umple alimentarea cu paraziți (condensatori). Ca alternativă, DS18B20 poate fi de asemenea alimentat de la o sursă externă de 3 volți – 5,5 volți.

Comunicarea cu DS18B20 se face printr-un port 1-wire. Cu portul 1-Wire, funcțiile de memorie și control nu vor fi disponibile înainte de stabilirea protocolului funcției ROM. Master-ul trebuie să furnizeze mai întâi una din cele cinci comenzi ale funcțiilor ROM: 1) citiți ROM-ul, 2) potriviți ROM-ul, 3) căutați ROM-ul, 4) săriți ROM-ul; Aceste comenzi funcționează pe porțiunea de 64biti a memoriei ROM a fiecărui dispozitiv și pot identifica un anumit dispozitiv dacă sunt prezente multe pe linia 1-Wire, precum și indică master-ul de magistrală câte și ce tipuri de dispozitive sunt prezente. După ce o secvență de funcții ROM a fost executată cu succes, funcțiile de memorie și de control sunt accesibile, iar master-ul poate furniza oricare dintre cele șase comenzi ale funcției de memorie și comandă.

Un control al funcției de comandă instruiește DS18B20 să efectueze o măsurare a temperaturii. Rezultatul acestei măsurători va fi plasat în memoria de scratchpad DS18B20 și poate fi citit prin emiterea unei comenzi al funcției de memorie care citește conținutul memoriei scratchpad. Alarma de temperatură declanșează TH și TL constând dintr-un EEPROM de 1 byte fiecare. Dacă comanda de căutare a alarmei nu este aplicată la DS18B20, aceste registre pot fi utilizate ca memorie de utilizator generală. Scratchpad-ul conține, de asemenea, un octet de configurare pentru a seta rezoluția dorită a temperaturii la conversia digitală. Scrierea TH, TL și octetul de configurare se face folosind o comandă de memorie. Accesul la citirea acestor registre se face prin scratchpad. Toate datele sunt citite și scrise cu ajutorul celui puțin puțin semnificativ bit.

Figura 3.4 Diagrama bloc senzor temperatură DS18B20 [13]

Masurarea temperaturii [13]

Funcționalitatea principală a senzorului DS18B20 este măsurarea temperaturi digital-direct. Rezoluția acestuia este configurabilă (9, 10, 11 sau 12 biți), cu citiri pe 12 biți starea implicită din fabrică. Aceasta corespunde unei rezoluții de temperatură de 0,5 ° C, 0,25 ° C, 0,125 ° C sau 0,0625 ° C. După emiterea comenzii Convert T [44h], se efectuează o conversie de temperatură, iar datele termice sunt stocate în memoria scratchpad într-un format complementar pe 16 biți extins. Informațiile despre temperatură pot fi preluate pe interfața 1-Wire prin emiterea unei comenzi de citire a Scratchpad [BEh] odată ce conversia a fost efectuată. Datele sunt transferate pe magistrala 1-Wire, mai întâi pe LSB. MSB a registrului de temperatură conține bitul "semn" (S), care indică dacă temperatura este pozitivă sau negativă. Tabelul 3.5 descrie relația exactă dintre datele de ieșire și temperatura măsurată. Tabelul presupune rezoluția pe 12 biți. Dacă DS18B20 este configurat pentru o rezoluție mai mică, biții nesemnificativi vor conține zerouri. Pentru utilizarea în Fahrenheit trebuie folosit un tabel de căutare sau o rutină de conversie. [13]

Tabel 3.5 Relații de temperatură – date [13]

Senzorul de praf SM-PW-01C

Descriere mod de functionare [14]

Acest sensor de praf măsoară nivelul de pulberi de materie (PM10) în aer prin numărarea timpului Low Pulse Occupancy (timpul LPO) într-o unitate de timp dată. Timpul LPO este o funcție a concentrației puberilor de materie (pulberi în suspensie). Acest tip de sensori pot oferi date suficient de corecte pentru sistemul de purificare a aerului deoarece poate identifică chiar și particule ce au mai puțin de 1µ[m].

Acești sensori folosesc metodă numărări în testarea concentrației de praf ci nu metodă greutății, iar unitatea de măsură pentru această este pcs/L sau pcs/0.01cf. [14]

Proprietăți definitorii:

-răspunde rapid;

-siguranță mare în funcționare.

Măsurile de precauție în utilizarea acestor tip de senzori sunt primordiale în implementarea oricăror idei, astfel aceștia au nevoie de 3 minute pentru a se “incalzi” înainte de prima utilizare, în caz de o acționare accidentală poate cauza deteriorări neașteptate (sensibil), dar și pinii VR1 și VR2 vin prezetati pentru conectarea cu microporcesorul (a nu se schimbă configurația de bază). [14]

Printre cele mai dăunătoare particule ce le întâlnim în aer eumeram conform AQI (Air Quality Index=Indexul pentru Calitatea Aerului) următoarele:

-PM10 (particle metter=puberi de suspensie);

-dioxid de sulf (SO2);

-monoxid de carbon (CO);

-dioxid de carbon (NO2);

-ozone (O3);

Cum funcționează un senzor de praf prin metodă optică? [14]

Un sensor de praf care detectează concentrația de praf din aer folosește metodă optică de detecție funcționează în pereche un spectru de lumina inflarosie LED și un foto-sensor ce sunt aliniați în dispozitiv. Foto-sensorul detectează reflexia spectrului IR-LED prin particulele de praf din aer. Acest tip de sensor inteligent pentru praf poate detectă chiar și particule de fum de țigară, dar distinge și particulele mici că praful dintr-o casă printr-un model de puls al semnalului de ieșire (output) (SMART DUST Sensor SM-PW-01C).

SMART DUST Sensor SM-PW-01C [14]:

-sensibilitatea acestui sensor de praf este specificată de cantitatea de Low Pulse Occupancy (LPO) modificându-se când concentrația de praf se modifică teoretic între 340-820µg/m3. Înainte de funcționa optim acest tip are însă nevoie de o “preincalzire” 120 secunde pentru stabilizarea camerei de testare.

-Low pulse occupancy (LPO=%)= [sumă lățimilor pulsului de low(mSec)/30000mSec]*100. Low pulse output este măsurat prin semnalul de ieșire la pinul P1, conector la pinul cu numărul 4 în sensorul de praf. Calculculul mediei de mișcare într-un timp prestabilit pentru măsurarea timpului este folosit folosit că și metodă pentru a determină nivelul de contaminare a aerului.

Aplicații [14]

Aplicații ale senzorilor de praf ce pot fi puse în practică:

-Monitorizarea calității mediului/emisiilor de praf

-purificator de aer, aer condiționat, filtru de aer pentru curățare, ventilator

-alarme de incendiu pe bază de fum cu diferite ajustări ale senzorului conform opțiunilor clientului

-detectarea prafului din aer, monitorizarea calității aerului din spații interioare ale clădirilor

Variantă aplicației alese este monitorizarea calității mediului prin intermediul unei platforme mobile de senzori inteligenți care vor trimite datele către un server (captare și vizualizare) cu ajutorul unui modul GSM pentru trimiterea datelor. [14]

Schema electrica interna

Figura 3.6 Schema electrica interna SMART DUST Sensor SM-PW-01C [14]

Sensorul de praf SM-PWM-01C masoara calitativ, valoarea fiind una de referinta. [14]

Comparația a două modele de sensori de praf pentru a vedea prin ce caracteristici diferă

Tabel 3.7 Comparatie Smart Sensor SM-PWM-01A vs SM-PWM-01C [14]

Studiu de caz: diferență dintre fumul de țigări și praful dintr-o casă[15]

După cum se vede în figură de mai jos, fumul de țigară prezintă pulsuri apropiate și suprapuse într-o formă continuă, pe când praful din casă prezintă pulsuri nesuprapuse și lățimea de bandă ca fiind largă. [15]

Mai departe prin citirea tranzițiilor de puls într-un timp exact folosind sistemul MICOM , pe acesta se poate distinge tipul de praf (fum/praf), particulele mari și particulele mici.

Figura 3.8 Paricule mici si mari[15]

Pentru o înțelegere mai amplă[15]

Motivația principală a acestui studiu a fost de a înțelege mai bine cum este procesat semnalul intern al unui sensor de praf. S-a supus dezasamblari senzorul SM-PWM-01C pornind de la întrebări precum: “ ce este un smart sensor?”, “ce măsoară acesta de fapt?”. Aceste întrebări sunt întrebările de la care s-a pornit acest studiu așa că nu este cuvântul oficial al companiei care îl produce și nu vor fi făcute garanții că aceste observații sunt cele corecte.

Senzorul SM-PWM-01C antrenează particulele într-un nor termic provocat de către un resistor de 100Ω, condus de 5V*50mA=0.25W. Convecția particulelor în sus printr-un fascicul produs de un led infraroșu LED1. Lumina împrăștiată de particule la un unghi de 45ș este la rândul ei culeasă de către foto-dioda PIC1. Este indusă calea de lumina pentru evitarea luminii parazite printr-o lentilă în fața foto-diodei ce concentrează într-o zonă de detecție fluxul de aer, fiind foarte aproape de portalul luminii LED. [15]

Capacul poate fi dezlipit de pe placă circuitului și îndepărtat, un capac de metal îi va permite capacului de plastic să fie îndepărtat dezvăluind componentele din interior. [15]

Figura 3.9 Interiorul unui senzor SM-PWM-01C[15]

În această poză putem vedea că un LED roșu este poziționat în aceași poziție cu lentilă și un fum artificial este pulverizat în aria de detecție pentru a ajută la vizualizarea punctului focalizator din lentil. Conul de lumină poate fi văzut în mod clar că această se reduce la un punct focal direct în față deschiderii în spatele căruia se află LED-ul cu infraroșu. Altfel, lumina de la LED-ul infraroșu, imprăstiata de particulele din aceeași zonă, se concentrează în sens invers pe fotodiodă. [15]

Figura 3.10 „How it works” [15]

Figura 3.11 Schema electrică internă detaliată [15]

Senzor noxe SainSmart MQ135

Figura 3.12 Senzor noxe SainSmart MQ135 [17]

Descriere principiu de funcționare

Materialul sensibil al senzorului de gaz MQ135 este SnO2, care are o conductivitate scăzută în aerul curat. Când gazul-combustibil țintă există, conductivitatea senzorului este mai mare, împreună cu creșterea concentrației de gaz. Pentru utilizarea unui electrocircuit simplu, convertiți schimbarea conductivității pentru a corespunde semnalului de ieșire al concentrației de gaz. [16]

Senzorul de gaz MQ135 are o sensibilitate ridicată la aburul de amoniac, sulf și benzen, sensibil la fum și alte gaze nocive, este ieftin și potrivit pentru aplicații diferite. [16]

Caracteristici [16]

Sensibilitate bună la gaze nocive într-o gamă largă;

Sensibilitate ridicată la amoniac, sulf și benzine;

Durată lungă de viață și cost redus;

Circuit simplu de antrenare;

Aplicatii [16]

Detectorul de poluare a aerului

Detector de poluare a aerului industrial

Detector portabil de poluare a aerului

Test de baza [16]

Figura 3.13 Schema de test al unui senzor MQ135

Circuitul de mai sus este cel de testare de bază al senzorului. Senzorul trebuie să fie alimentat din două părți, tensiunea incălzitorului (VH) și tensiunea de testare (VC). VH a folosit pentru a furniza temperatură de lucru certificată la senzor, în timp ce VC a folosit pentru a detectă tensiunea (VRL) asupra rezistenței de sarcină (RL), care este în serie cu senzorul. Senzorul are o polaritate a luminii, Vc are nevoie de curent continuu. VC și VH ar putea folosi același circuit de putere cu condiția necesară pentru a asigură performanță senzorului. Pentru că senzorul să aiva o performantă mai bună, este necesară o valoare RL adecvată: Puterea corpului de sensibilitate (Ps): Ps = Vc2 × Rs / (Rs + RL)2

Caracteristica de sensibiliate a senzorului MQ135 [16]

Figura 3.14 Caracteristica de sensibiliate [16]

Figura 3.14 Prezintă caracteristicile tipice de sensibilitate ale raportului MQ135, ordinul de rezistență al senzorului (Rs / Ro), abscisa fiind concentrația de gaze. Rs înseamnă rezistență în diferite gaze, Ro înseamnă rezistența senzorului în 100ppm ammoniac(NH4). Toate încercările sunt în condiții de testare standard. [16]

Influența temperaturii / umidității [16]

Figura 3.15 Caracteristica influentei temperatura/umiditate [16]

Figura 3.15 Prezintă caracteristicile tipice ale temperaturii și umidității. Ordonata reprezinta raportul de rezistență al senzorului (Rs / Ro), Rs înseamnă rezistența senzorului în 100ppm amoniac sub diferite temperature si umiditate. Ro înseamnă rezistența senzorului în mediu de 100 ppm amoniac, 20°C / 65% RH (umiditate). [16]

Interfațare

Tabel 3.16 Interfatare legături [18]

Senzorul barometric BMP085

Descriere generală

Figura 3.17 Senzorul barometric BMP085

BMP085 este un senzor de presiune barometric de înaltă precizie, cu putere redusă, pentru utilizare în aplicații mobile avansate. [19]

Cu o precizie absolută de 2,5hPa și un nivel de bruiatii a semnalului de pană la 0,03hPa (echivalentă cu o schimbare de altitudine de doar 0,25m), BMP085 oferă performanțe superioare. În același timp, BMP085 oferă un consum de energie extrem de scăzut de pană la 3µA. Acest pachet foarte mic, ultra-subțire, face din senzorul BMP085 o alegere pentru orice aplicație mobilă care necesită măsurători precise ale presiunii barometrice, cum ar fi, de exemplu, telefonul mobil, dispozitivele personale de navigație GPS dar și echipamente avansate în aer liber. [19]

Senzorul BPM085 este proiectat să fie conectat direct la un microcontroler al unui dispozitiv mobil prin intermediul magistralei I2C. Datele privind presiunea și temperatură trebuie să fie compensate de datele de calibrare ale EEPROM-ului BMP085. [19]

Funcția generală a senzorului BMP085 și schema aplicației acesteia

Modulul BMP085 constă într-un senzor piezo-rezistiv, un convertor analog-digital și o unitate de control cu EEPROM și o interfată serială I2C(bus de date). BPM085 oferă valoarea necompensată a presiunii și temperaturii. EEPROM-ul stochează 176 biți de date individuale de calibrare. Acesta este folosit pentru a compensa deplasarea, dependența de temperatură și ceilalți parametri ai senzorului.[20]

• UP = date de presiune (16 la 19 biți) ;

• UȚ = date de temperatură (16 biți) .

Figura 3.18 Schema electrica a senzorului BMP085 intr-o aplicatie [20]

Măsurarea presiunii și a temperaturii

Microcontrolerul trimite o secventă de pornire pentru a începe o măsurare a presiunii sau a temperaturii. După conversia timpului, valoarea rezultată (UP sau UȚ) poate fi citită prin interfață I2C. Pentru calculul presiunii în hPa trebuie utilizate datele de calibrare. Aceste constante pot fi citite din BMP085 EEPROM prin interfață I2C la inițializarea software-ului.[20]

Rată de eșantionare poate fi mărită pană la 128 de probe pe secundă (modul standard) pentru măsurarea dinamică. În acest caz, este suficientă măsurarea temperaturii o dată pe secundă și utilizarea acestei valori pentru toate măsurătorile de presiune în aceeași perioadă.[20]

Figură 3.19 Păși parcurși în măsurarea presiunii

Moduri de funcționare [20]

Tabel 3.20 Moduri de funcționare

Caracteristici tehncie BMP085[20]

Tabel 3.21 Caracteristic tehnice [20]

Descriere Pini pentru conexiune [19]

Tabel 3.22 Descriere Pini

LoNet 808 – Mini GSM/GPRS + GPS Breakout

Figura 3.23 LoNet 808 – Mini GSM/GPRS [20]

Descriere [20]

Această placă este bazată pe cel mai recent modul SIMCOM SIM808 GSM / GPS, ce oferă date mobile GSM (sistem global pentru comunicatii mobile) și GPRS(transfer pachete de date ) împreună cu tehnologia GPS (sistemul global de pozitionare) pentru navigație prin satelit.

Placă dispune de consum redus de energie în modul de repaus, oferind timp de așteptare incredibil de lung pentru aplicația la care este folosit. În plus, există un circuit de incărcare a bateriei la bord care poate fi utilizat cu bateriile Lipo.

Receptorul GPS este incredibil de sensibil cu 22 de canale de urmărire și 66 de canale pentru achiziții și suportă, de asemenea, GPS-ul asistat (A-GPS) pentru localizarea în interiorul unei clădiri.

Placă este controlată de comandă AT prin UART și suportă niveluri logice 3.3V și 5V. Acesta este dotat cu o antenă mini GPS și GSM, totuși o baterie este optională. Placă utilizează rețele GSM 2G (nu 3G sau LTE).

Caracteristici [20]

• Quad-bând 850/900/1800/1900 Mhz;

• Conectivitate mulți-slot GPRS clasa12: max. 85.6kbps (down-load / up-load) ;

• stație mobilă GPRS clasă B ;

• Controlat de comandă AT (3GPP TS 27.007, 27.005 și SIMCOM);

• Suportă controlul de incărcare pentru bateria Li-Ion ;

• Suportă ceasul în timp real ;

• Tensiunea de alimentare 3.4V ~ 4.4V , dar uportă nivel logic de la 3.0V la 5.0V;

• GPS integrat / CNSS și suportă A-GPS ;

• Consum redus de energie, 1mA în modul de repaus ;

• Suportă protocolul NMEA GPS;

• Dimensiune compactă de 27 mm x 46 mm x 7 mm ;

• Cartelă SIM standard ;

Specificatii GPS [20]

• Canale receptor: 22 de urmărire / 66 achiziție ;

• Cod grosier / achiziție: GPS L1 ;

• Sensibilitate de urmărire: -165dBm;

• Timp de pornire la rece/pornire/cald: 30s/1s/28s (tip.);

• Precizia poziției orizontale: <2,5m CEP ;

• Consum de putere-Achiziție: 42mA ;

• Consum de putere-Urmărire continuă: 24mA ;

• Rată de actualizare: 5Hz;

Interfațare [21]

Figura 3.24 LoNet 808 placă suport [21]

① Buton de alimentare: acesta este comutatorul de putere pentru modul. Când modulul este pornit, puteți porni sau opri modulul prin apăsarea butonului timp de 2 secunde.

② Acumulator Li-ion: acesta este sursa de alimentare pentru modul, tensiunea de intrare este de la 3.4V la 4.4V. Utilizează conectorul JST-2.0mm, care face convenabil să se conecteze la o baterie Li-Po de 3.7V.

③ MicroUSB: interfața de încărcare pentru bateria Li-Ion, cu o tensiune de intrare cuprinsă între 5V și 7V.

④ Antenă GSM: acesta este un conector pentru antenă uFL GSM, conectat doar la o antenă GSM pentru primirea semnalului GSM.

⑤ Antena GPS: acesta este un conector pentru antenă GPS uFL. Pot conecta fie antena GPS pasivă, fie cea activă. Antena GPS activă rulează la tensiunea de 2.8V.

⑥ Indicatorul Net: LED-ul roșu, acesta va indica starea legată de conectarea modulului la rețea.

⑦ Indicator de stare: LED verde, va indica dacă modulul este pornit, se aprinde când modulul este pornit.

⑧ Pini pentru conexiune: descrisi in Tabelul 3.24

⑨ SIM – Suport de card: suport pentru cartela SIM pentru cartela SIM standard Pin Pin de alimentare: utilizat pentru lipirea și testarea energiei.

Tabelul 3.24 Exemplificare interfață a Pinilor [21]

Figura 3.25 Circuit de referință în conexiune cu un Microcontroler [21]

Interconectivitate componente

Pentru interconectarea plăcilor suport PCB (printed circutit board) am ales să folosesc 2 cabluri PTP care au câte 8 fire per cablu. Astfel am reușit să acopăr necesarul de fire ce trebuiesc pentru alientarea senzorilor dar și comunicarea acestora cu microcontrolerul care prelucrează informația, care mai departe o transmite modulului GSM LoNet808 trimițând datele pe servarul web.

Figura 3.26 Cablu FTP cu 8 fire și mufă

Suportul PCB (printed circuit board)

Printarea PCB-urilor

O placă de circuit imprimat (PCB) sprijină mecanic, și electric conectează componente electronice, folosind trasee conductoare, paduri și alte tipuri de conectări create pe suprafața unei foi de cupru laminate pe un substrat non-conductoare electric. PCB-urile pot fi cu o singură parte (un strat de cupru), față-verso (două straturi de cupru), sau multi-strat. Conductoarele de pe straturi diferite sunt conectate prin găuri placate numite VIA-uri. PCB-urile avansate, pot conține componente – condensatori, rezistențe sau dispozitive active – integrate în substrat.[24]

Figura 3.27 PCB cu un strat, două straturi și multistrat[24]

Dezvoltarea asamblării PCB-urilor, își are rădăcinile la începutul secolului 20, cu un număr mare de experimente ale diverșilor inventatori, inclusiv Albert Hanson, Thomas Edison, Arthur Berry, Max Schoop și Charles Durcase. Totul a luat amploare prin 1936, când inginerul Paul Eisler a preluat asamblarea PCB-urilor și a inventat circuitul imprimat, ca parte a unui set de radio, fapt care a acționat ca un impuls pentru concept. Tehnologia a fost folosită pe scară largă în timpul celui de-al doilea război mondial pentru a face siguranțe de proximitate și după ce a început războiul, în scop comercial, dar nu au devenit un lucru obișnuit în electronice de consum, până la mijlocul anilor '50.[24]

Inițial, toate componentele electronice au fost conectate cu fire iar în timpul asamblării PCB-ului au fost create orificii în plăcile cu circuite, pentru fiecare fir de pe fiecare componentă. În 1949, a fost dezvoltat un proces prin care au fost introduse componente într-un model de interconectare creat din folie de cupru și apoi lipite. Mai târziu acest concept a evoluat în procesul standard de asamblare PCB care este folosit astăzi. În viața cotidiană, odată cu necesitatea de dispozitive electronice tot mai mici, cum ar fi dispozitive portabile de jocuri video, iPod-uri și smartphone-uri, utilizarea componentelor cu montare pe suprafața PCB-ului, a crescut în popularitate ca urmare a cererii de produse mai mici, cu funcționalitate sporită. [24]

Plăcile cu circuite imprimate (PCB-uri), în procesul de producție, cuprind mai multe etape.

Fiecare pas în parte trebuie să fie monitorizat îndeaproape și controlat pentru a minimiza erorile excesive de toleranță, în special în ceea ce privește crearea – strat peste – strat și via – la – pad. O sursă care crează astfel de erori de toleranță este masca ( adesea numită „instrument-foto”-“photo-tool” sau “artwork”), utilizate în transferul de imagine pentru straturile PCB-ului. Industria a folosit în mod tradițional un proces de litografiere bazat pe o mască de poliester în contact cu un substrat mare acoperit cu rezist. Precizia de plasare caracteristică a acestor măști este direct influențată de acuratețea mașinilor care le imprimă (foto-plottere) , abilitatea operatorului care le plasează manual, și de efectele de temperatură și umiditate, care pot modifica structura polimerului.[24]

Deoarece densitatea interconectărilor este în continuă creștere, bugetul de proiectare pentru aceste erori se reduce până la punctul în care calificarea operatorilor și creșterea investițiilor în controlul de mediu pentru fabricarea măștii este ineficientă. [24]

In Tabelul 3.28 sunt prezentate etapele fabricării PCB-urilor [24]

Tabelul 3.28 Etapele fabricarii PCB-urilor

Nevoia de noi tehnologii de producție care să elimine variația greșelilor operatorului și problemele legate de stabilitatea măștii este din ce în ce mai necesară pentru producerea de randamente consistente și previzibile de producție. [24]

O altă sursă importantă de erori este distorsionarea straturilor în timpul laminării și manipulării, care poate face dificilă suprapunea straturilor interioare sau exterioare.

Căldura și presiunea din timpul laminării PCB-urilor cu mai multe straturi, de multe ori provoacă distorsiuni dimensionale ale materialelor de bază utilizate în ambele straturi, rigide și flexibile ale PCB-ului. Această denaturare depinde de numeroși factori, inclusiv de la lot la lot în funcție de furnizori, variațiile în procesele de laminare și procesele de manipulare la locul de fabricare. [24]

Inainte de a ajunge la procesul despre care vorbim în acest proiect și anume „Developare UV”, PCB-ul trebuie creat. În Tabelul 3.28 sunt enumerate câteva din cele peste 50 de procese care au loc în dezvoltarea lui până la produsul finit. [24]

Dezvoltarea PCB-ului (printed circuit board)

Mai departe voi descrie modul de lucru în proiectarea circuitului în vederea imprimării acestuia pe suportul PCB (suportul mecanic), al componentelor descrise mai sus.

Proiectarea asistată de calculator

Pentru poriectarea asistată de calculator am fost folosit software-ul EAGLE care oferă un proces de dezvoltare a design-ului PCB în doi păși. Prima data trebuie dezvoltat schematicul pentru ca mai apoi să fie dezvoltat și lay-out-ul PCB bazat pe schematic așadar cei doi păși ai softului EAGLE merg mână în mână.

O schemă bine concepută este esentială pentru procesul general de proiectare a PCB-urilor. Acesta ne ajută să găsim erorile înainte ca PCB-ul să fie realizat și mă va ajută să depănăm o placă atunci când ceva nu functionează.

Dezvoltarea schematicului și a circuitului în EAGLE

Cu ajutorul librăriilor senzorilor (amprentele) specificați mai sus am reușit să găsesc configuratia necesară interconectivității componentelor hardware.

Așadar mai jos veți vedea un print screen a schematicului pentru cele două PCB-uri suport.

Mai jos regăsim schematicul suport (Figură 3.29) pentru plăcuța PCB1 care are în componența ei amprentele micorcontrolerului, amprenta modului LoNet 808, 2 mufe FTP mamă-tata și mufă de alimentare.

Figura 3.29 Schematic suport PCB1

După ce schematicul plăcuței a fost realizat, accesăm din bară principală a softului fereastră File, după care apăsam pe butonul „Switch to board”. După ce pad-urile și via-urile au fost așezate corect astfel încât dimensiunea plăcuței PCB să nu fie deosebit de mare (cu cât mai mare cu atât mai scump de fabricat o plăcută cu fotorezist).

Că și rezultat după finalizarea felului în care arată, prototipul PCB1 arată astfel:

Figura 3.30 Prototipul PCB1

Mai departe (Figură 3.31) vom regăsi schematicul suport pentru plăcută PCB2 care are în componența ei amprentele celor două mufe FTP „mama-tata”, amprentele senzorilor de praf, temperatură, presiune și noxe.

Figura 3.31 Schematic suport PCB1

Precum în primul caz, cazul schematicului suport PCB1, vom da comanda de „Switch to board”, iar rezultatul după finalizarea și orientarea pad-urilor și via-urilor este circuitul folosit pentru imprimarea PCB2-ului (Figură 3.32). Că și particularitate specială, circuitul PCB2 este unul dublu strat (dual layer). Liniile de circuit de culori diferite (roșu și albastru) indică faptul că una dintre ele se află pe un strat iar cealaltă pe celălalt strat (o parte și de altă a PCB-ului).

Figura 3.32 Prototipul PCB2

Developarea circuitului

Developarea circuitelor (PCB-urile suport) a fost realizată cu ajutorul măștilor prin intermediul software-ului Eagle care are funcția de a exportă protipurile PCB1 și PCB2.

După ce am exportat prototipurile în format PDF, acestea au fost imprimate pe coli din plastic transparente cu imprimanta laser pentru a permite razelor UV să ardă peliculă de fotorezist ce se află pe PCB doar pe formă circuitului.

Notă! Nu se poate printa masca cu ajutorul imprimantei cu jet deoarece cerneală nu va prinde pe coală de plastic.

Aplicarea unei măsti cu Fotorezist: Modelele circuitului sunt imprimate pe foaie transparentă, apoi transferate/transpuse prin expunerea la ultraviolete pe pelicula fotosensibilă de pe suprafața PCB-ului.

Figura 3.33 Model imprimat (PCB1) pe foaie transparentă; Fotorezist aplicat și corodat

Figura 3.34 Model imprimat(PCB2) pe foaie transparentă; PCB-ul rezultat dupa aplicarea mastii si corodarea acestuia

Developarea UV

Pentru developarea circuitelor am folosit asa cum am precizat ulterior lumina UV pentru arderea peliculei protectoare a PCB-ului care se afla pe acesta.

Lumina Ultravioletă (UV) este radiația electromagnetică cu o lungime de undă mai scurtă decât cea a luminii vizibile, dar mai lungă ca razele X, asta în intervalul cuprins între 400 nm și 10 nm, care corespunde energiei fotonice de la 3eV până la 124 eV.

Denumirea acesteia vine de la spectrul format din unde electromagnetice cu frecvențe mai mari decât cele pe care oamenii le identifică în culoarea violet.

Pentru developarea cu ajutorul razelor UV am folosit cupotrul din Figură 3.35, lăsând masca (circuitul) aplicată pe suportul PCB timp de 2 minute expus la razele UV ale cuptorului.

Figura 3.35 Cuptor cu raze UV

Etapele parcurse in realizarea PCB-urilor suport:

1)Proiectarea cablajului (masca) – descris mai sus

Prima fază o reprezintă proiectarea cablajului pe care dorim să îl realizăm, pornind de la schema electronică a montajului.

2) Aplicarea măștii pe o plăcută ce are o peliculă cu fotorezist

Se dezlipete sticker-ul protector contra UV-lor de pe plăcuta cu fotorezist și se aliniază cu masca (circuitul de imprimat).

Figura 3.36 Dezlipire strat protector și aliniere PCB cu masca [23]

Operațiile de mai sus au fost realizate sub lumina obscură pentru evitarea arderii fotorezistului de pe placta înainte de a fi supus ultravioletelor in cupotor.

Mai departe se supune razelor UV în cuptor pentru 2 minute

Figura 3.37 Cuptor cu lumina UV [24]

3) Curatarea de fotorezis ce a ramas pe placuta PCB cu ajutorul clorurii de sodiu, solutie 2%;

Figura 3.38 Curatarea de fotorezist/ Dupa curatare [23]

4) Corodarea plăcuței

Pentru început punem clorura ferica într-un vas și apoi placă la corodat în acel vas. Trebuie avut grijă că întreagă suprafața a plăcii să fie scufundată în clorura ferică. Lăsăm la corodat aproximativ 20 de minute, dar verificăm progresul din 5 în 5 minute pentru a ne asigura ca procesul se deruleaza conform planului. Corodarea se face mai repede dacă soluția de clorura ferică este încălzită în prealabil. Trebuie avut grijă cu clorura ferica pentru că pătează foarte tare, uneori iremediabil orice material textil. Nu trebuie să ne temem să băgam mâinile în soluție, nu corodează decât cuprul, nu și mâinile noastre. Totuși, NU INGERAȚI, soluția este toxică. A se ține la depărtare de ochi, poate provocă orbire.

Figură 3.36 Corodarea cuprului în clorura ferică [23]

6) Spălarea sub un jet de apă pentru îndepărtarea resturilor de pe plăcută, apoi uscarea acesteia prin tamponare cu șervete pentru a limită întreruperea circuitului

Că și etapă suplimentară, dar care nu intră în procesul de developare a-l PCB-ului, care este mai degrabă o etapă adiacentă de finalizare a-l suportului mecanic, acesta ar fi realizarea găurilor (via-urilor și pădurilor) unde componentele vor fi lipite cu pinii potriviți fiecărei componente.

Soldarea și conectarea hardware-ului

Pentru lipirea/soldarea componentelor hardware pe suportul PCB am folosit un pistol de lipit unde capătul terminal poate ajunge la o temperatură de 380șC. Am folosit că și aliaj de lipire un cositor de plumb de 0.3mm datorită dimensiunilor liniilor de circuit reduse pentru o acuratețe sporită să lipiturilor.

Figura 3.37 Lipirea senzorilor pe suportul PCB

Figura 3.38 Microcontrolerul și modulul GSM pe suportul PCB

Arhitectură hardware (schema bloc a sistemului integrat)

Figura 3.39 Arhitectura hardware (schema bloc a sistemului integrat)

Dezvoltare-finalizare prototip

Probleme în implementarea și dezvoltarea prototipului

Dat fiind faptul că până acum nu mai făcusem dezvoltarea completă a unui astfel de sistem autonom problemele nu m-au ocolit așa că dezvoltarea schemelor logice de proiectare, legare și configurare a pinilor, până la developarea propriu zisă a suportului mecanic(PCB) nu au încetat să apăra.

În prima instanță trebuie să precizez faptul că microcontroler-ul (LinKit Smart Duo) și modulul GSM (LoNet) folosite pentru procesarea și transmiterea datelor către platforma web nu au fost compatibile din punct de vedere al tensiunii de alimentare din cauză că microcontroler-ul nu poate susține un consum destul de mare pe care GSM-ul îl cere în momentul de start al acestuia nu am putut conecta alimentarea LoNet-ului la unul din pinii de out-put a micorcontrolerului de 5V.

Așadar a trebuit să reconfigurez schema de conectare a întregului sistem prin conectarea în paralel la o sursă de tensiune comună, în alte cuvinte se poate traduce faptul că am avut LoNet-ul și microcontrolerul sunt alimentate de la aceași sursă și fiecare va consumă curent de la sursă în funcție de cât au nevoie.

După ce problemă alimentării celor două componente a fost rezolvată am întâmpinat o altă problemă. GSM-ul are nevoie de o tensiune de alimentare de 4.3-4.4 VDC pentru că acesta să funcționeze în condiții optime și luând în considerare alimentarea pe care un automobil o reda la „bricheta” este puțin sau mai mult de 5V a fost nevoie să găsesc o modalitate prin care tensiunea să scadă până la nivelul la care componența sistemului funcționează la parametrii optimi. Așadar am folosit o diodă în serie pe alimentarea modului GSM, iar tensiunea de alimetare a scăzut până la valoarea de care are nevoie, mai specific a scăzut cu 0.7V.

O altă problemă în dezvoltarea prototipului a constat în developarea circuitelor pentru a funcționa pe post de suport mecanic (PCB1 și PCB2) pentru senzori, microcontroler și modulul care transmite datele către server-ul web.

Fiind novice în developarea unui circuit am constatat că procesul de developare este mai complex decât am putut descrie mai sus. Developarea circuitului a trebui să o fac intr-un mod empiric (experimental), din aproape în aproape, testând care este metodă potrivită pentru ca, circuitul să fie funcțional.

Metodă empirică de developare a circuitelor m-a condus spre câteva eșecuri așa cum puteți observă în pozele de mai jos. Ne știind exact cât se ține circuitul pentru arderea cu UV a peliculei de fotorezist, cât se ține în soluția de clorura ferica, cât trebuie curătat circuitul într-o soloutie de clorura de natriu pentru curătarea fotorezistului rămas pe suportul PCB. Răspunsurile la aceste intrebări au fost găsite așadar într-un mod empiric, „learning by doing”, doar încercând diverse experimente cu timpii și procesele de developare ajungi să înveți să faci un PCB suficent de bun manual (problemă ce apare când îți zice nimeni ce ai de făcut cu exactitate).

În Figură 3.40 se observă un PCB defect care a fost ținut prea puțin la corodat în soluția de clorura ferica.

Figura 3.40 PCB defect

În Figură 3.41 se observă din nou faptul că PCB-urile au fost realizate defectuos. În partea din stânga PCB-ul a fost supus la UV o perioadă mai îndelungată, iar clorura ferică nu a corodat din nou cum ar fi trebuit. În partea din dreapta a Figurii 3.41 este un alt PCB care s-a corodat mai mult decât ar fi trebuit iar liniile de circuit au fost corodate de către clorura ferică mai mult decat ar fi fost nevoie

Figura 3.41 PCB-uri defecte

După câteva încercări am reușit să realizez ciruitele imprimate, denumite și PCB-uri și mai departe a urmat soldarea componentelor hardware, firelor și realizarea pad-urilor/via-urilor prin ingaurirea PCB-ului.

Figura 3. 42 Realizarea pad-urilor și via-urilor pe PCB și „EU” realizând lipiturile

Realizările nu au încetat să apăra în cele din urmă așa că prototipului fizic a fost finalizat, regăsiți întregul sistem (Figură 3.43) lipit, realizat, proiectat și conectat la alimentarea la un autovehicul.

Figura 3.43 Prototip complet alimentat de la mașină

Aplicatia Software

Software embedded

Descriere limbaj programare C embedded

Embedded software sau software-ul incorporat este un program de calculator, scris pentru a controla mașinile sau dispozitivele care nu sunt considerate, de obicei, computere. Este de obicei specializat pentru hardware-ul particular pe care rulează și are constrângeri de timp și de memorie. Acest termen este uneori folosit interschimbabil cu firmware-ul, deși firmware-ul poate fi aplicat și pe codul ROM pe un computer, pe lângă care rulează sistemul de operare, în timp ce software-ul încorporat este de obicei singurul software pe dispozitivul în cauză. [25]

O caracteristică precisă și stabilă este aceea că nu toate funcțiile software-ului încorporat sunt sau nu sunt inițiate/controlate prin intermediul unei interfețe umane, ci prin interfețele mașinilor. [25]

Producătorii "construiesc" în software-ul încorporat în domeniul electronicii de ex. automobile, telefoane, modemuri, roboți, aparate, jucării, sisteme de securitate, stimulatoare cardiace, televizoare și set-top box-uri și ceasuri digitale, de exemplu. Acest software poate fi foarte simplu, cum ar fi controalele de iluminare care rulează pe un microcontroler pe 8 biți, cu câtiva kilobiți de memorie, cu un nivel adecvat de complexitate a procesării determinat cu ajutorul unui cadru probabil de aproximare corectă a computării (o metodologie bazată pe algoritmi aleatori) sau pot deveni foarte sofisticate în aplicații precum avioanele, rachetele și sistemele de control al proceselor. [25]

Codul sursa utilizat (limbaj programare C)

Codul sursă poate fi regăsit în Anexa 1 în variantă completă, iar mai departe voi urmări să explic modul de funcționare a modelului software.

Codul sursă începe cu definirea porturilor la care sunt legați senzorii și definirea variabilelor globale care sunt folosite in functiile de procesare, acestea fiind intitalizate inițializate tot prin intermediul functiilor aferente fiecărei variabilei asignate în momentul în care sistemul primește alimentarea de la mașină.

Prin intermediul următoarei secvențe de cod vom realiză inițializarea sistemului, cu alte cuvinte un „starta-up” al sistemului fizic, precum și setarea portului serial și inițializarea senzorilor cu frecvență de clock a microprocesorului:

Mai departe regăsim buclă infinită care se apelează la infinit cu o pauză la care fiecare utilizator al sistemului dorește să o seteze. Pentru exemplul curent am folosit o buclă ce se repetă la fiecare 5 secunde. În interiorul buclei sunt apelate funcțiile senzorilor ce se ocupă de preluarea și procesarea datelor care mai apoi sunt transmise la sfârșitul fiecare bucle de către modulul GPM pe serverul web.

Mai departe vor fi descriși algoritmii (funcțiile) care se ocupă de preluarea și prelucrarea datelor pentru seznori. Fiecare funcție este numită sugestiv pentru simplitate și pentru a înțelege mai ușor modelul software.

Funcțiile care se ocupă de preluarea și prelucrarea datelor pentru dioxidul de carbon (CO2) și temperatură:

Funcția care se ocupă de preluarea și prelucrarea cu ajutorul algoritmului de calcul a informațiilor legate de nivelul prafului din atmosferă:

Funcțilie care se ocupă în doi păși de preluarea și prelucrarea presinunii atmosferice:

Arhitectura sistemului

În Figură 3.44 este descrisă arhitectură sistemului, modul în care sunt interconectate sistemele, de la conectarea sistemului la alimentarea mașinii până la înlănțuirea interfeței web cu serverul web la care este posibilă observarea datelor.

Figura 3.44 Arhitectura sistemului

Scrierea programului sursă

Pentru scrierea codului sau „flash-uirea” programului sursă pe microcontroler-ul LinKit Smart Duo 7688 am folosit „tool-ul” Arduino IDE.

Mediul de dezvoltare integrat Arduino IDE-sau Arduino Integrated Development Environment (IDE)-conține un editor de text pentru scrierea de cod, o zonă de mesaje, o consolă de text, o bară de instrumente cu butoane pentru funcții comune și o serie de meniuri. Se conectează la hardware-ul Arduino pentru a incărca programe și a comunică cu ele. [26]

Arduino IDE beneficiază de mediul potrivit dezvolatarii unui sistem embedded datorită ușurinței si simplității interfeței cu utilizatorul (programatorul), permite interfațarea cu mai multe tipuri de microcontrolere, dar și beneficiază de un monitor serial ce poate fi folosit la testarea codului.

Programele scrise folosind software-ul Arduino (IDE) se numesc schițe. Aceste schițe sunt scrise în editorul de text și sunt salvate cu extensia .ino. Editorul are caracteristici pentru tăiere / lipire și pentru căutarea / înlocuirea textului. Zonă mesajului oferă feedback în timp ce salvează și exportă, de asemenea afisează și erori. Consola afisează textul de ieșire de către Software-ul Arduino (IDE), inclusiv mesaje de eroare complete și alte informații. Colțul din dreaptă jos al ferestrei afisează placa și portul serial configurat. Butoanele barei de instrumente ne permite să verificăm și să incărcăm programe, să creăm, să deschidem și să salvăm schițe și să deschidem monitorul serial. [26]

Verify. Verifică codul pentru erorile care îl compilesc.

Upload. Compilează codul și îl încarcă pe placa configurată.

New. Creaza o noua schita.

Open. Prezintă un meniu al tuturor schițelor din schemă.

Save. Salveaza schita creata.

Serial Monitor. Deschide monitorul serial[26]

Figura 3.45 Arduino IDE și monitorul serial (COM7)

Aplicația software pentru vizualizarea datelor

Codul sursă al aplicație poate fi găsit în Anexa 2, reprezentând codul pentru recepționarea datelor pe server, codul care crează bază de date tabelara din interfață cu utilizatorul, codul folosit pentru generarea graficelor generate din bază de date și codul sursă al paginii principale.

Mai departe voi descrie modul de funcționare al aplicației web și felul în care aceasta arată și poate fi folosită.

Interfață cu utilizatorul a aplicație web reprezintă un template nu foarte complex, dar care înglobează mai multe tehnologii pentru realizarea acesteia.

Bootstrap, reprezintă un framework (cadru de lucru), care integrează mai multe tehnologii web la un loc cum ar fi HTML, CSS, javaScript și este conceput special pentru a se adapta la mai multe interfețe de afișare a mai multor dispozitive cum ar fi laptop-uri de diferite dimensiuni, tablete, telefoane, etc.

Tehnologiile folosite în dezvoltarea aplicației web sunt:

-pentru dezvoltarea paginii principale am folosit limbajele de programare PHP, HTML și CSS

-bază de date MySQL configurata si realizata http://cp1.biz.nf/beta/database-manager/#mysql-databases

-pentru generarea graficelor am utilizat Google charts- de tip linie https://developers.google.com/chart/interactive/docs/gallery ;

-bootstrap care reprezintă un framework (cadru de lucru), care integrează cu ușurință mai multe tehnlogii web precum cele prezentate mai sus HTML, javasScript, PHP, CSS și este un concept dezvoltatat care se poate adapta la mai multe interfețe a mai multor dispozitive precum laptop-uri, tablete, telefoane, etc.

Informațiile legate de aplicația web se pot găsi mai jos:

adresa website: http://city-pollution.co.nf/

adresa host: http://cp1.biz.nf/beta/ (o adresă gratuita pentru gazduirea aplicației)
host client_id: 2328228

host registered_email: hodorogea.ovidiu@gmail.com

host password: 123test123

Accesul la baza de date se poate face aici: http://cp1.biz.nf/beta/database-manager/#mysql-databases + configuratia:

$servername = "fdb16.biz.nf";

$username = "2328228_smartcity";

$password = "123test123";

$dbname = "2328228_smartcity";

Figura 3.46 Pagină principală „index” în momentul accesării

În pagină principală găsim două butoane. Cu ajutorul butonului Browse putem încărca un fișier care se înserează automat în bază de date a aplicației pe care le putem folosi ulterior în vizualizarea informațiilor ce le conține. Acest buton fiind doar o funcționalitate adiacentă adusă aplicației pentru cazul în care modulul GSM nu funcționează. Cu ajutorul butonului „Refresh” se generează o bază de date pentru a vizualiza în sistem tabelar, iar pe lângă aceasta se generează automat grafice cu toate datele captate de către senzori (temperatură, presiune, calitatea aerului (CO2) și praf) din mediu și transmise de către modulul GSM – LoNet.

Modelul graficelor au avut că și sursă de inspirație pagină web https://developers.google.com/chart/interactive/docs/gallery

Dacă apăsam pe butonul refresh de pe http://city-pollution.co.nf/, pagina web generează automat un tabel cu informațiile preluate cu ajutorul senzorilor și a sistemului autonom, și de asemenea generează pentru vizualizare 4 grafice conform datelor pe care le conține bază de date în ziua respectivă.

Datele afișate mai jos că și rezultat final au fost colectate între orele 00:00 și 8:00 a zilei de 3.07.2017.

Mai departe voi descompune interfață grafica cu utilizatorul în 4 grafice și un tabel pentru o claritate sporită a imaginilor, urmând a menționa ce reprezintă fiecare grafic.

În următorul grafic se poate vizuliza variația calității aerului sau mai bine spus volumul de CO2 (dioxid de carbon) dealungul nopții. Valorile obținute au fost înmulțite cu un coeficient de 100 pentru o vizulizare mai reprezentativă.

Figura 3.47 Graficul calității aerului

În următorul grafic se poate vizuliza variația temperaturi dealungul nopții.

Figura 3.48 Graficul temperaturii

În următorul grafic se poate vizuliza variația nivelului de praf pe parcursul nopții. Din nou, pentru că graficul să fie mai reprezentativ am înmulțit valorile obținute de la senzorul de praf cu 100. Asta însemnând că în realitate praful din aer ridicandu-se la o medie de 0.34 mg/m3.

Figura 3.49 Graficul senzorului de praf

În graficul următor poate fi vizualizată presiunea atmosferica care de asemenea, ca și valoare a fost înmulțită cu 100, pentru că graficul să aibă o reprezentare mai intuitivă. Presiunea atmosferica, conform senzorului barometric se află între valoarile de 1013 și 1014hPa. Prin prisma fapului că graficul nu poate atribui valori cu virgulă am recurs la înmulțirea cu 100.

Figura 3.50 Graficul nivelului de presiune

În Figură 3.51 următoare putem observa o parte din valorile numerice ale datelor colectate cu ajutorul senzorilor și trimise pe platformă web.

Figură 3.51 Formatul tabelar al datelor colectate

Functionarea sistemului

Pentru functionarea optima a intrgului sistem trebuie atasate (conectate) toate elementele componentele cum ar fi senzorii, suporturile mecanice (PCB-urile), microcontrolerul si modulul GSM-LoNet cu atentie la pinii corespunzatori fiecarui element, iar apoi intregul sistem autonom trebuie pus sub tensiunea (alimentat) de 5V de la un autovehicul sau de la o sursa ce poate fi setata la nivelul de 5V prin jack-ul situat pe PCB-ul 2.

Apoi, acesta incepe sa isi faca pre-incalzirea, iar dupa 2 minute datele trimise de catre sistem catre platfoma web sunt suficent de corecte. Transmiterea datelor facandu-se in timp real, avem acces la datele colectate de catre sistemul autonom de tip IoT „Internet of Things”.

Figură 3.52 Imaginea de ansamblu a sistemului autonom de tip IoT

Am testat prototipul pe parcursul nopti din data de 3.07.2017, iar rezultatele in urma colecatarii datelor se pot observa in pozele de mai sus. Locatia la care a fost realizata colectarea de date fiind din locuinta mea din Sibiu, Blv Mihai Viteazu, Bl 29.

Concluzii si dezvoltari ulterioare

În urmă utilizării conceptului „Internet of Things”, am reușit să realizez un sistem suficient de complex prin intermediul căruia am reușit să colectez date și să monitorizez coditiile de mediu cu ajutorul unui dispozitiv embedded de tip „Internet of Things” și a senzorilor inteligenți, care trimite datele preluate în timp real pe o platformă web (server), care are ca și conținut datele primite de la senzori și prelucrate logic (calculul algoritmic din cod) de către microcontroler. Astfel datele colectate sunt vizibile în timp real și este creat un tabel cu informațiile preluate de senzori și variațiile din timpul funcționării sistemului, însă nu în ultimul rând transformarea acestora date (presiune, temperatură, CO2 și praf) în graficele care sunt funcție de timp.

Pentru realizarea acestui proiect de diplomă am folosit mai multe tehnologii, precum proiectarea PCB-urilor(EAGLE), developarea PCB-urilor, realizarea logică a arhitecturii hardware (conexiuni), programarea embedded pe microcontrolere în C, scrierea programului sursă prin intermediul Arduino IDE, servere web, baze de date (MySQL). Prin intermediul acestora se pot dezvoltă ulterior aplicații de tip „Internet of Things” într-o gamă destul de variată.

În concluzie, după părerea mea consider că prin realizarea acestui proiect de diplomă am acumulat noi și foarte multe cunoștințe în legătură cu funcționarea și realizarea dispozitivelor de tip IoT „Internet Of Things”, m-a obligat să mă adaptez la materialele disponibile cu care să lucrez pentru realizarea suportului fizic al platformei de monitorizare a mediului (realizarea empirică a PCB-urilor) și de asemenea m-a făcut să învăț și să mă familiarizez cu diferite limbaje de programare cum ar fi C, PHP, HTML, CSS, javaScript. Pe lângă toate acestea m-a ajutat să acumulez cunoștințe solide despre modul de funcționare a microcontrolerelor, senzorilor (modul de funcționare și conversie a semnalelor primite că și input de către programul sursă) și a celorlalte componente hardware utlizate în proiect.

La finele acestui proiect am realizat faptul că multitudinea resurselor disponibile pe internet și o persoană cu perseverență și implicarea potrivită poate să realizeze o multitudine de alte aplicații bune și complexe care pot aduce un aport pozitiv societății în care trăim, să ne îmbunătățească traiul, deoarece eu am început facultatea de inginerie gândindu-mă că prin dezvoltarea inginerească a produselor/proiectelor de către mine pot îmbunătății viață omului și aduce un aport pozitiv societății.

Dezvoltări ulterioare ale aplicației:

Îmbunătățirea aplicației hardware – prin proiectarea și realizarea unor suporturi PCB într-un mod profesionist pe care se pot depune componentele în modul „plug-and-play”, folosirea unor senzori cu o precizie superioară celor folosiți de către mine și chiar și folosirea altor tipuri de senzori ce pot fi integrați pentru realizarea unei platforme mobile de monitorizare a mediului prin mobilitatea propusă de acest sistem autonom de tip Iot.

Îmbunătățirea aplicației software – prin dezvolatarea funcționalităților propuse deja de către platformă web cum ar fi: realizarea unei alte pagini web conexe unde se pot vizualiză datele pe diferite zile la alegerea utilizatorului, locația exactă la care colectarea informațiilor a fost realizată, înfrumusețarea interfeței web cu utilizator dar și realizarea unui conexiuni de logare prin ușer și parolă la care să aibă acces autoritățile locale în vederea implentarii unor decizii pentru cetățenii care locuiesc în zonele poluate.

Dezvoltarea si implementarea codului pentru senzorului de presiune barometrica cu ajutorul caruia se pot calcula pe langa functionalitatea propusa de mine si temperatura sau altitudinea fata de mare.

Bibliografie

[1 ]- Frank J. Mazzotti, professor; Nicola Hughes, former wildlife intern; and Rebeccas G. Harvey, environmental education and human dimensions coordinator; UF/IFAS Fort Lauderdale Research and Education Center, Davie, FL 33314

[2] http://www.druckerinstitute.com/2013/07/measurement-myopia/ . Ultima accesare: 19.05.2017

[3] https://www.tutorialspoint.com/embedded_systems/es_overview.htm – ultima accesare 19.03.2017

[4] – https://www.tutorialspoint.com/embedded_systems/es_processors.htm – ultima accesare 19.03.2017

[5] – Lucian Vintan, Adrian Florea, Advanced Microarchitectures, Tehnical Publishing House, Bucuresti, 2000  ISBN 973-31-1551-7, (312 pg.).

[6] -Lucian Vintan, Adrian Florea, Microprocessing Systems. Applications., "Lucian Blaga" University of Sibiu Press, 1999 , ISBN 973-9410-46-4, (245 pg.).

[7] – https://www.tutorialspoint.com/internet_of_things/index.htm – ultima accesare 19.03.2017

[8] – Lasse Berntzen, Marius Rhode Johannessen, Adrian Florea, Smart Cities: Challenges and a Sensor-based Solution A research design for sensor-based smart city projects. https://www.researchgate.net/publication/312471472_Smart_Cities_Challenges_and_a_Sensor-based_Solution_A_research_design_for_sensor-based_smart_city_projects Smart Cities: Challenges and a Sensor-based Solution A research design for sensor-based smart city projects, International Journal on Advances in Intelligent Systems, http://www.iariajournals.org/intelligent_systems/, ISSN 1942-2679), Publisher – International Academy, Research and Industry Association (IARIA), Volume 9, Issue 3 & 4, pp. 579-588, 30 December 2016. – ultima accesare 23.05.2017

[9] https://www.gazproiect.md/instalatii_automatizare.html – ultima accesare 5.04.2017

[10] – Prof. Univ. dr. Laurean BOGDAN, AUTOMATIZARI , SIBIU, 2016

[11] –  "Parts of computer". Microsoft. Retrieved 5 December 2013.

[12] – https://www.seeedstudio.com/LinkIt-Smart-7688-Duo-p-2574.html – ultima accesare 17.06.2017

[13] – http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Ds18b20 – ultima accesare 17.06.2017

[14] – http://www.mouser.com/ds/2/744/Seeed_101020012-838657.pdf – ultima accesare 18.06.2017

[15]http://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiPPD42NS_Deconstruction_TracyAllen.pdf – ultima accesare 18.06.2017

[16] – http://www.dreamgreenhouse.com/datasheets/MQ-135/MQ135.pdf – ultima accesare 18.06.2017

[17]- https://www.sainsmart.com/sainsmart-mq135-sensor-air-quality-sensor-hazardous-gas-detection-module-arduino.html – ultima accesare 18.06.2017

[18] – http://www.robotshop.com/media/files/pdf/MQ-135-Gas-Sensor-UserManual.pdf ultima accesare 18.06.2017

[19] -https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/General/BMP085_Flyer_Rev.0.2_March2008.pdf ultima accesare 19.06.2017

[20]- https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/General/BST-BMP085-DS000-05.pdf ultima accesare 19.06.2017

[21]- http://wiki.seeedstudio.com/wiki/LoNet_808_-_Mini_GSM/GPRS_+_GPS_Breakout ultima accesare 19.06.2017

[22]- Popescu Lizeta, “Electrotehnlogii”, vol. II, E. ULBS, 2004

[23]- https://www.youtube.com/watch?v=tKprv1b0OzM ultima accesare 19.06.2017

[24]- https://www.youtube.com/watch?v=_2ZlrqMdTm8 ultima accesare 19.06.2017

[25]-  Edward A. Lee, "Embedded Software", Advances in Computers (M. Zelkowitz, editor) 56, Academic Press, London, 2002.

[26]- https://www.arduino.cc/en/Guide/Environment – ultima accesare 25.06.2017

Anexe

Anexa 1

Codul sursă al aplicației embedded

Figura 6.1

Figura 6.2

Figura 6.3

Figura 6.4

Figura 6.5

Figura 6.6

Anexa 2

Codul sursa al aplicatiei web de vizulaizare al datelor

Figura 6.6 Codul sursa paginii principale

Figura 6.7 Continuare pagină princiapală a aplicației

Figura 6.8 Continuare pagină princiapală a aplicației

Figura 6.9 Cod sursa de primire a datelor

Figura 6.10 Cod sursa de primire a datelor prin fisier

Figura 6.10 Cod sursa de primire a datelor prin fisier continuare

Figura 6.11 Cod sursa de refresh a paginii principale

Figura 6.12 Serverul pe care se gasește aplicatia web.