Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

УДК 502.3:711:577.4

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ ПОМЕЩЕНИЯ «УМНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ»

В.A. Калинина,студентка группы 147-2;

А.В.Пуговкин,доктор технических наук, профессор

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)», Томск, Россия

Аннотация.Разработана и описана функциональная схема системы контроля и управления микроклиматом помещения «умная лаборатория». Проведен выбор и обоснование элементной базы для системы.Система состоит из микроконтроллера,датчика температуры и влажности,датчика углекислого газа, радиомодема, нейрогарнитуры. Смоделированы сигналы бета- и альфа-ритмов активности человеческого мозга, получены их спектры.

Ключевые слова:микроклимат помещения, микроконтроллер, радиомодем, нейрогарнитура, ритмы активности мозга.

DEVELOPMENT OF CONTROL AND MANAGEMENT SYSTEM

MICROCLIMATE OF THE ROOM “SMART LABORATORY”

V. A.Kalinina,student, 147-2;

А. V. Pugovkin,Ph.D(Technical), professor

Federal State Budget Educational Institution of Higher Education

«Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics», Tomsk, Russia

Abstract. A functional diagram of the control and management system for the microclimate of the «smart laboratory» room has been developed and described. The selection and justification of the elemental base for the system. The system consists of a microcontroller, a temperature and humidity sensor, a carbon dioxide sensor, a radio modem, a neuro headset. The signals of beta and alpha rhythms of the activity of the human brain are modeled, their spectra are obtained.

Keywords: room microclimate, microcontroller, radio modem, neuro-headset, brain activity rhythms.

Введение

Качество среды помещений общественных зданий: аудиторий, лабораторий, офисов, залов и кабинетов, зависит от совокупности внутренних и внешних факторов, определяется работой систем отопления, вентиляции и кондиционирования, освещения, а также электропитания. Исходя из критериев охраны здоровья первостепенными будут являться факторы, определяющие микроклимат и качество воздуха. Качество среды помещения оказывает влияние на работоспособность, самочувствие, а также общую заболеваемость человека. Комфортные условия обеспечивают спокойствие, удобство для работы и обучения, уют.

Внастоящее время большое внимание уделяется исследованиям по разработке систем «умного окружения», которые основываются на использовании концепции мобильных устройств и беспроводных сетей.Подобная система включает в себя подсистему мониторинга для отслеживания параметров среды иподсистему управленияими. Датчики могут быть установлены в помещении и вне его для отслеживания параметров внешней окружающей помещение среды.

Целью данной работы является разработка системы контроля и управления параметрами микроклиматапомещения «умная лаборатория» для создания комфортных условий жизнедеятельности обучающихся и работающих в ней.

Взадачи даннойработы входил выбор элементной базы для аппаратно-программного комплекса: микроконтроллера, датчиков температуры, влажности и углекислого газа.

Комплектация и функциональная схема системы контроля и управления микроклиматом помещения «умная лаборатория»

Процесс мониторинга заключается в снятии показаний с систем отопления, вентиляции и кондиционирования с помощью измерительных устройств – датчиков, которыепреобразуют входное

455

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

воздействие любой физической величины в сигнал, применяемый для дальнейшего использования. Основными источниками информации являются датчики влажности, температуры и концентрации углекислого газа[1].

Для управления микроклиматом использовались электроприборы: кондиционер, масляный нагреватель и «вытяжка». Эти приборы с помощью реле подключаются к микроконтроллеру.Для оценки эффективности управления микроклиматом икомфортности среды используется нейрогарнитура,данные с которой поступают на сервер, обрабатываются;и затем принимается решение о дальнейшей корректировке микроклимата и концентрации углекислого газа.Прибором для хранения информации и управления датчиками является микроконтроллер, представляющий собой микросхему, сочетающую в себе функции процессора и различных периферийных устройств.

В ходе работы была разработана функциональная схема работы системы контроля и управления микроклиматом, которая включает в себя микроконтроллер, приемопередающие устройства, датчики измерения параметров (температуры, влажности, концентрации углекислого газа) и устройство оценки текущего состояния человека – нейрогарнитуру (рисунок 1). Также в схемеприсутствуют приборы, с помощью которых изменялипараметры микроклимата и среды в помещении.

Рисунок 1–Функциональная схема системы контроля и управления микроклиматом

Работу системы следует разделить на следующие этапы.

1. Получение данных с датчиков, расположенных в помещении Опрос датчиков влажности, освещенности, температуры и углекислого газа. Получение данных о

работе приборов управления микроклиматом (активные обогреватели, приборы освещения, вентиляции и др.).

2.Получение данных с нейрогарнитуры

Впервое время для корректировки алгоритмов управления микроклиматом планируется использование нейрогарнитуры, как источника данных о реакции человека на изменение параметров микроклимата.

3.Отправка данных на сервер для дальнейшего учета и обработки

Данные, собранные микроконтроллером с датчиков, отправляются на сервер для учета с помощью радиомодема. Данные, полученные с нейрогарнитуры, загружаются на сервер с помощью специального программного обеспечения.

456

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

4. Определение оптимальных условий микроклимата Обработка полученных данных для количественной и качественной оценки состояния человека.

Принятие решения об изменении параметров микроклимата с помощью соответствующих приборов управления.

5. Изменение текущих параметров микроклимата до оптимальных Корректировка параметров микроклимата до достижения максимально комфортных условий для

человека.

После нахождения наиболее подходящего алгоритма автоматической корректировки параметров микроклимата, система может функционировать без использования нейрогарнитуры. Для упрощения поиска алгоритма в дальнейшем планируется перенос обработки данных на устройство сбора данных (микроконтроллер), а также использование нейронной сети.

Выбор и обоснование элементной базы длясистемы контроляи управления микроклиматом

1. Отладочная плата на базе микроконтроллераSTM32F103

Отладочная плата на базе микроконтроллера STM32F103 (рисунок 2) получила большое распространение по причине несложности разработки программного обеспечения для нее, а также наличия хорошей вычислительной мощности (до 72МГц в штатном режиме работы и до 128МГц в режиме повышения частоты). Она совместима с ArduinoIDE, что облегчает перенос существующих наработок при переходе с микроконтроллеров AVR на микроконтроллеры STM.Отладочная плата имеет встроенный порт MicroUSB для осуществления коммуникаций между микроконтроллером и компьютером посредством виртуального COM-порта, что позволяет облегчить получение и визуализацию данных, поступающих с датчиков, а также делает возможным построение графиков в режиме реального времени.

Технические характеристики отладочной платы на базе микроконтроллера STM32F103C8T6: микроконтроллер: stm32f103c8t6; ядро: ARM 32 Cortex-M3; режим отладки: SWD; рабочая частота: 72 МГц;64 К флэш-памяти, 20 К sram; питание портов ввода-вывода: 2.0В-3.6В;8 МГц кристалл (поддерживает резонаторы от 4МГц до 16МГц); на плате установлен мини USB интерфейс; размер: 5.3 см x 2.2 см.

Рисунок2 –Внешний вид платы на базе микроконтроллера STM32F103

Выбор данной отладочной платы обусловлен следующими факторами: большое количество готовых примеров; совместимость с большинством сред разработки (IDE); простота отладки; финансовая выгода при выпуске готового продукта.

2. Датчик углекислого газа

Газовые датчики серии MQ являются самыми недорогими и обычно используемыми. Датчики MQ135 используются для контроля качества воздуха, подходят для обнаружения и измерения концентрации углекислого газа, аммиака, оксидов азота, алкоголя, бензола, дыма. Сенсорный модуль MQ-135 оснащен цифровым контактом, что позволяет ему работать без микроконтроллера, что удобно в случае обнаружения только одного конкретного газа.

Рисунок 3–Датчик углекислого газа MQ-135

457

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

В сенсоре предусмотрено два режима работы, переключаемых джампером. Характеристики: напряжение питания нагревателя - 5 В; напряжение питания датчика - 3,3…5 В; потребляемый ток -

150 мА; габариты - 25,4×25,4 мм[2].

3. Датчик температуры и влажности

Широко используемый датчик температуры и влажности - DHT22 (рисунок 4), который поставляется с выделенным NTC для измерения температуры и 8-ми разрядным микроконтроллером для ввода значений температуры и влажности в виде последовательных данных.

Рисунок 4–Датчик температуры и влажности DHT22

Датчик может измерять температуру от -40 °C до + 80 °C и влажность от 0% до 99,9% с точностью

± 0.5 °C и ± 2%. Другие технические характеристики DHT22: напряжение питания – 3…6 В; шаг измерения влажности – 0,1%; шаг измерения температуры – 0,1 °С; период измерений – 1 с; интерфейс - onewire, 1-проводной; шаг выводов - 2,54 мм; размеры–15*25*7,7 мм [3].

4. Радиомодем Радиомодем - это устройство, предназначенное для передачи цифровых данных по радиоканалу.

Необходимо измерять следующие температуры: среднюю температуру отопительного прибора и температуру воздуха в помещении. При этом температуру отопительного прибора необходимо измерять в двух режимах:в режиме калибровкис частотой 1 раз в минуту;в режиме эксплуатациис частотой 1 раз в час. Скорость передачи данных в этих режимах относительно низкая (примерно 1 бит/с) - соответствует ультраузкополосной связи. Радиомодем должен обладать низким энергопотреблением, так как с ним совмещен датчик отопительного прибора.При этом проектируемый радиоканал должен обеспечивать передачу информации внутри здания через стены и перекрытия. Система должна иметь невысокую себестоимость.

Для реализации радиоканала можно использовать 3 диапазона частот: 433, 869 и 2400 МГц. Однако частотный диапазон 2,4 ГГц перегружен и имеет сильное затухание внутри задания.На частоте 869 МГц работает большинство современных устройств. Данный диапазон за счет достаточно низкой несущей частоты обеспечивает неплохую зону покрытия внутри зданий и в городе, а также имеет достаточно небольшое затухание внутри здания. Поэтому выбран частотный диапазон 869 МГцна базе системы CC1310 (достигаемая мощность - 25 мВт, высокая чувствительность, низкая стоимость порядка 500 руб.).

В качестве терморадиомодема выбран DS18B20 -цифровой температурный датчик, целый микроконтроллер, который может хранить значение измерений, сигнализировать о выходе температуры за установленные границы, менять точность измерений, способ взаимодействия с контроллером. В качестве протокола обмена данными используется протокол CSMA/CA. Программное обеспечение для устройства сбора и передачи данных (УСПД) RaspberryPi.

Устанавливается следующий порядок обмена данными: 1) микроконтроллер терморадиомодема отправляет запрос на УСПД для подтверждения передачи данных; 2) получив сигнал на разрешение от УСПД, передает пакет данных (остальные датчики, входящие в данную систему, не могут передавать свои данные); 3) получив подтверждение о приеме данных, завершает работу; 4) Затем данные с УСПД по Ethernet передаются на сервер. Для обеспечения низкого энергопотребления, была реализована программа «режим сна», которая позволяет наиболее рационально использовать электропитание терморадиомодуля [4].

5. Нейрогарнитура Развитие нейрогаджетов аналогично развитию самой родительской технологии -

электроэнцефалографии (ЭЭГ),метода наблюдения и регистрации электрических процессов в мозгу, являющегося одним из основных элементов биологической обратной связи. Во время процедуры «снятия» ЭЭГ на голову пациента надевается прорезиненная шапочка с электродами и далее регистрируется электрическая активность мозга в разных состояниях. Ритмы мозга, регистрируемые

458

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

методом ЭЭГ, могут с относительным успехом контролироваться человеком, а следовательно — могут быть использованы в интерфейсах «человек − машина».

Нейроинтерфейсы NeuroSky представляют собой одноканальные ЭЭГ интерфейсы, рисунок 5.Гарнитура оснащена двумя датчиками: основным или рабочим, расположенным в районе точки Fp1 (в левой лобной части головы, непосредственно над левым глазом) и индифферентным датчиком. Последний выполнен в форме ушной клипсы и крепится с мочке левого уха (точка A1, как место отсутствия биоэлектрической активности). Система получает ЭЭГ сигнал на разнице потенциалов между исходным сигналом и нулевой точкой [5].

Рисунок 5 –Внешний вид нейрогарнитуры NeuroSky

Интерфейс, принимая сигналы от головного мозга, передает ихна компьютер:необработанный сигнал ЭЭГ; сигналы, разбитые по диапазонам; сигнал о моргании глаз, параметры концентрации (внимательности) и медитации (ментальной релаксации).

Результаты измерений и их обсуждение

При измерениях с нейрошлема поступает необработанный сигнал в диапазоне от 0 до 70 Гц. Исследования показали, что в этом сигнале можно выделить определенные диапазоны, которые

отражают определенные виды активности головного мозга. Выделяют 5 основных диапазонов: · (альфа) волны (от 8 до 13 Гц;амплитуда 5-100 мкВ); · (бета) волны (14 до 40 Гц;амплитуда 20 мкВ, обычно 3-7 мкВ);

· (гамма) волны (выше 30 Гц; амплитуда не превышает 15 мкВ); · (дельта) волны (от 1 до 4 Гц;амплитуда 20-200 мкВ); · (тета) волны (от 4 до 8 Гц; амплитуда от 20 до 100 мкВ).

Приведем известные биологические характеристики отдельных ритмовэлектроактивности мозга [6]. Альфа-ритм: максимальное значение амплитуды наблюдается, когда человек находится в

сознании, но в максимально расслабленном состоянии (например, в темноте с закрытыми глазами). При усилении умственной активности или же повышении внимания амплитуда колебаний снижается вплоть до полного их исчезновения.

Бета-ритм: такая мозговая активность характерна для периода активного бодрствования, она возрастает при какой-либо деятельности: повышении концентрации внимания, бурном проявлении эмоций, интеллектуальной нагрузке. Генерируя бета волны, мозг разрешает проблемы, прорабатывает ситуации, решает задачи, которые требуютполной отдачи. Это наиболее совершенный тип мозговой активности.

Гамма-ритм: вырабатывая гамма волны, мозг решает задачи, не разрешимые без собранности, сосредоточения и максимальной концентрации внимания.

Дельта-ритм: эти волны наблюдаются в период глубокого сна, протекающего без сновидений;во время состояний, обусловленных использованием наркотических веществ; при контакте с травмированной областью мозга или с новообразованием;в состоянии покоя на фоне стрессовых ситуаций или продолжительной работы.

Тета-ритм – это ритм характерен для детей в возрасте от 2 до 5 лет. Подобная мозговая активность способствует улучшению памяти, полноценному усвоению получаемых извне знаний. Поэтому дети обрабатывают и усваивают большой объем информации. Тета-волны у взрослых появляются лишь в фазе быстрого сна, в полудреме.

Проведено математическое моделирование основных бета- и альфа-ритмов активности мозга, отвечающих за период активного бодрствования и повышенной концентрации внимания, а также за

459

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

период расслабленного состояния человека. В MATLAB был создан сигнал, схожий с сигналом, получаемый при снятии ЭЭГ головного мозга, и был получен его спектр.На рисунке 6 приведены спектры сигналов альфа и бета волн, а также суммарный спектр двух сигналов.

а)

б)

в)

Рисунок 6 – Спектры сигналов: а) - спектр сигнала альфа волны; б) - спектр сигнала бета волны;

в) - сумма спектров сигналов альфа и бета волн

Смоделированные спектры сигналов, связанные с собранными и обработанными данными системы контроля и управления микроклиматом, могут выступать в качестве показателя состояния человека, то есть как средство обратной связи, и в дальнейшем использоваться для нахождения подходящего алгоритма автоматической корректировки параметров.

Оптимальные и допустимые параметры микроклимата общественных зданий регламентированы СанПиН 2.1.2.1002 и ГОСТ 30494-96 [7, 8]. Однако эти параметры не учитывают индивидуальные особенности организма человека: возраста, пола, состояния здоровья, уровней умственных и физических нагрузок. Они также не учитываютразной способности организма людей адаптироваться к изменившимся условиям среды обитания, времени года и времени суток.

460

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

Введение в схему системы контроля и управления микроклиматом нейрогарнитуры послужит средством совершенствования алгоритма управления микроклиматом с учетом индивидуальных особенностей как отдельно человека, так и определенных групп людей для создания комфортных условий их жизнедеятельности. В результате проведённой работы была подготовлена база для дальнейшей работы с нейрошлемом.

Заключение

Разработана функциональная система контроля и управления микроклиматом помещения «умная лаборатория», определен её элементный состав. Система состоит из: микроконтроллераSTM32F103C8T6; датчика температуры и влажности DHT22; датчика углекислого газа MQ-135; радиомодема; нейрогарнитуры NeuroSky MindWave.

Смоделированы сигналы бета- и альфа-ритмов активности человеческого мозга, получены их спектры.

Для улучшения алгоритмов управления микроклиматом планируется использование нейрогарнитуры NeeuroSky Mind Wave.Изучены ее технические характеристики и разработаны инструменты обработки данных, снимаемых с нейрогарнитуры.

Планируется автоматизация процесса регулирования параметров микроклимата в зависимости от состояния человека, находящегося в помещении.

Разрабатываемый аппаратно-программный комплекс контроля и управления микроклиматом будет использоваться в помещениях зданий учебных,научных, офисных и производственных учреждений.

Библиографический список

1. Пуговкин, А.В. Мониторинг теплового режима отдельных помещений / А.В. Пуговкин, Н.И. Петрова, С.В. Купреков, С.И Абрамчук // Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго-иресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий».– Новосибирск, 2015. – C. 101-107.

2.Components: [сайт].–URL: https://components101.com/sensors/mq135-gas-sensor-for-air-quality (дата обращения: 13.05.2019).

3.Duino: [сайт] – URL: https://duino.ru/DHT22-Datchik-vlazhnosti-i-temperatury.html (дата обращения: 03.05.2019).

4.CSMA/CA: [сайт]. – URL: https://studopedia.ru/5_29517_CSMACA.html (дата обращения: 27.10.2019).

5.Digital mobile radio towards future generation system. COST 231 Final Report подред. EraldoDamosso, - Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 1999. – 474 c.

6.Ритмы головного мозга: [сайт]. – URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/Ритмы(дата обращения: 18.11.2019).

7.СанПиН 2.1.2.1002-00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям: Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы.

8.ГОСТ 30494-96.Здания жилые и общественные. Параметрымикроклиматавпомещениях: межгосударственный стандарт: дата введения 1999-03-01. – Изд. официальное. – М.: Госстрой России,

ГУП ЦПП, 1999 – 19 с.

461