Система автоматичного моніторингу території

Реферат: Система автоматичного моніторингу території містить датчики екологічного контролю стану середовища, центральний диспетчерський пункт, засоби радіозв'язку, систему GPS та мобільну телефонну систему. Датчики екологічного контролю встановлюють на первинних постах контролю, кожен з яких являє собою автономний блок, розміром не більше 300×300×200 мм, причому від 10 до 300 первинних постів контролю розміщують на стаціонарних об'єктах контрольованої території або на автотранспортному засобі для переміщення контрольованою територією, крім того, на кожному первинному посту контролю розміщують блок живлення, мікроконтролер з програмою, модуль зв'язку в бездротовій мережі мобільного оператора та модуль GPS, а центральний диспетчерський пункт містить модуль зв'язку в бездротовій мережі мобільного оператора та комп'ютер із програмним забезпеченням. UA 84133 U (12) UA 84133 U UA 84133 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до автоматичних систем збору і обробки екологічної інформації і може бути використана в комплексі атмосфероохоронних заходів для проведення моніторингу довкілля та оперативного виявлення джерел забруднення навколишнього середовища за станом атмосферного повітря на наявності шкідливих домішок. Відомі системи моніторингу атмосфери мають подібні між собою схеми побудови з деякими апаратними й сервісними розходженнями. З пунктів збору (первинних постів контролю) інформація надходить у диспетчерський пункт, де автоматично згідно з програмою дані заносяться в архів, створюються бази даних, будуються карти екологічної обстановки, а у випадку виникнення небезпечної ситуації, інформація виводиться на монітор і подаються аварійні сигнали. В автоматичному режимі створюються також звітні документи, що відображають розподіл контрольованих показників по території з усією необхідною додатковою інформацією [1]. Недоліком відомих систем є те, що в більшості систем з них на первинних постах контролю застосовують персональний комп'ютер для збору даних і керування постом. Це є надлишковим, бо веде до здорожчення системи. Самі пости мають габаритні розміри в кілька метрів, їх перевезення і установка може бути здійснена лише за допомогою потужної автотехніки. Також для забезпечення роботи постів необхідна наявність мережі електроживлення та кабелю зв'язку в мережі Ethernet. Найбільш близькою для корисної моделі, що пропонується, є система екологічного моніторингу атмосферного повітря промислового підприємства регіону [2], яка містить датчики контролю екологічного стану середовища, центральний диспетчерський пункт, засоби радіозв'язку, систему GPS та мобільну телефонну систему. Недоліками найближчого аналога є наявність проміжних пунктів обробки інформації, що вносить викривлення до первинної інформації, одержаної з датчиків, та знижує об'єктивність контролю, особливо щодо екологічного стану великої території. Тому задачею запропонованої корисної моделі є вдосконалення системи екологічного моніторингу атмосфери з метою виключення зазначених недоліків відомих моделей з використанням переваг пересилання інформації бездротовими каналами зв'язку. Поставлена задача вирішується таким чином: система автоматичного моніторингу території містить датчики екологічного контролю стану середовища, центральний диспетчерський пункт, засоби радіозв'язку, систему GPS та мобільну телефонну систему, згідно з корисною моделлю, що пропонується, датчики екологічного контролю встановлюють на первинних постах контролю, кожен з яких являє собою автономний блок, розміром не більше 300×300×200 мм, причому від 10 до 300 первинних постів контролю розміщують на стаціонарних об'єктах контрольованої території або на автотранспортному засобі для переміщення контрольованою територією, крім того, на кожному первинному посту контролю розміщують блок живлення, мікроконтролер з програмою, модуль зв'язку в бездротовій мережі мобільного оператора та модуль GPS, а центральний диспетчерський пункт містить модуль зв'язку в бездротовій мережі мобільного оператора та комп'ютер із програмним забезпеченням. Первинний пост контролю додатково містить модуль для роботи в мережі Ethernet. Кожен первинний пост контролю містить від 10 до 50 роз'ємів для зовнішнього та внутрішнього під'єднання додаткових датчиків екологічного контролю, які вимірюють склад атмосферного повітря, рівень радіаційного фона і одержують різноманітну метеорологічну інформацію. Завдяки наявності в первинному посту контролю модуля GPS в систему автоматично заносяться координати посту контролю. Це дає значні переваги при застосуванні системи в мобільному варіанті, коли в процесі проходження уздовж маршруту разом з контрольованими показниками передаються координати знаходження мобільного первинного поста контролю, і ці показники автоматично заносяться до відповідних точок на карті. Суть запропонованого технічного рішення згідно з корисною моделлю, пояснюється кресленнями (фіг. 1 та фіг. 2). На фігурі 1 схематично зображена принципова схема системи автоматичного моніторингу території, де позначено: 1 - комп'ютер з програмним забезпеченням; 2 - модуль зв'язку центрального диспетчерського пункту в бездротовій мережі мобільного оператора; 3 - первинний пост контролю, встановлений або на стаціонарних об’єктах контрольованої території, або в мобільній лабораторії; 4 - пост контролю центрального диспетчерського пункту. 1 UA 84133 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 За допомогою встановленого у центральному диспетчерському пункті комп'ютера (1) із програмним забезпеченням через модуль зв'язку (2) в бездротовій мережі мобільного оператора надсилається запит на адресу первинного поста контролю (3) з датчиками екологічного контролю. В апаратурі поста є такий самий модуль зв'язку, який приймає запит, далі програма мікроконтролера розшифровує команду, що надійшла. Після цього відбувається зчитування показників з відповідного датчика контрольованої величини та передача її значення назад до модуля зв'язку (2), а з нього через пост контролю (4) центрального диспетчерського пункту до комп'ютера (1). При прийнятому часі опитування поста контролю приблизно один раз за 20-30 хвилин можна прийняти інформацію з 300 і більше постів протягом години. До поста контролю (4) центрального диспетчерського пункту безпосередньо підключають датчики газів NH3, H2S, O3, NO2, CH2O, інформація з яких поступає в режимі реального часу до комп'ютера (1). Оскільки прийом даних іде по радіоканалу, інформація з мобільного поста також надходить у режимі реального часу. Весь процес прийому інформації та її обробки відбувається автоматично, включаючи побудову карт і вмикання, якщо потрібно, сигналів тривоги. Схема автоматичного поста контролю показана на фігурі 2, де позначено: 5 - датчики екологічного контролю; 6 - однокристальний мікроконтролер із програмою; 7 - блок живлення; 8 - модуль зв'язку в бездротових мережах GSM; 9 - модуль GPS; 10 - модуль для роботи в мережі Ethernet (в разі потреби); Автоматичний пост контролю працює наступним чином. Модуль зв'язку (8) приймає запит з модуля мобільного зв'язку центрального диспетчерського пункту, програма мікроконтролера (6) розшифровує сигнал, що надійшов. Далі відбувається зчитування значення контрольованого показника від потрібного датчика екологічного контролю (5) та передача цього значення на комп'ютер центрального диспетчерського пункту через модуль зв'язку (4). Модуль GPS (9) в первинному автоматичному посту дає можливість заносити в систему координати кожного поста контролю з точністю до кількох метрів і вносити їх значення до комп'ютера. Це дає суттєві переваги при застосуванні мобільного варіанта системи, коли в процесі проходження уздовж маршруту разом з контрольованими показниками передаються координати знаходження мобільного первинного поста контролю і значення цих показників автоматично заносяться у відповідні місця на карті. Блок живлення (7) забезпечує роботу усього автоматичного поста контролю. При прийнятій частоті опитування первинного посту контролю - один раз на 20-30 хвилин, протягом 1-ї години запропонована корисна модель дозволяє прийняти інформацію від 10 до 300 і більше первинних постів контролю. Оскільки прийом даних іде по радіоканалу, інформація з поста контролю (3) на фігурі 1, встановленого в мобільній лабораторії, також надходить у режимі реального часу. Програмне забезпечення дозволяє проводити весь процес прийому інформації і її обробки в автоматичному режимі, включаючи побудову карт і вмикання, якщо потрібно, сигналів тривоги. Зчитування інформації з датчиків, її обробка й функціонування блоку контролю здійснюється мікроконтролером (6) із записаною в ньому програмою. Сучасні однокристальні мікроконтролери за своїми характеристиками вже наближаються до основних показників процесорів персональних комп'ютерів по продуктивності, але вони істотно менші за розмірами і споживаній потужності, а також у вартості, що дуже важливо для масового виробництва мобільних і автономних пристроїв. Особливості сучасних мікроконтролерів дозволяють дистанційно перезаписувати програму, за якою він функціонує. Запропонована корисна модель забезпечує корегування характеристик первинного посту контролю дистанційно, не виїжджаючи до місця його розташування, а пересилаючи поліпшену програму із сервера по мережі GSM. Модуль GSM (8), що входить до складу первинного посту контролю, дозволяє вести прийом-передачу інформації в бездротових мережах зв'язку, має малі габаритні розміри: 24×24×3 мм, вагу 7 г, напругу живлення 3,4 В та має можливість працювати в діапазоні від -30 С до +80 С. Споживана потужність складає декілька Ватт та споживається тільки під час передачі інформації, що дозволяє створити автономний пост із габаритними розмірами порядку 300×300×200 мм із живленням від акумулятора, підзаряджання якого можна здійснювати від датчика швидкості вітру або сонячної батареї. Перевага передачі інформації в мережі GSM полягає в незалежності розміщення блока контролю від наявності провідної лінії зв'язку. Це дозволяє розташувати пост практично в будь 2 UA 84133 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 якому місці території, на якій здійснюється екологічний моніторинг, а також в оперативній зміні місць контролю без проведення змін у самій системі. Невеликі розміри поста контролю дозволяють щільніше охопити контрольовану територію. Первинний пост контролю можна закріпити до існуючих споруджень і опор ліній електропередач. При такій схемі розміщення збір інформації з постів не залежить від відстані. При цьому стає доступним в оперативному режимі будь-який пост, розташований на контрольованій території. Відсутність проміжних пунктів збору та обробки інформації виключає викривлення первинної інформації з датчиків, що дозволяє одержувати максимально об'єктивну, вірогідну інформацію і приймати рішення на її основі. Запропонована комплектація блока контролю забезпечує його компактність, незначну вагу, низьке енергоспоживання, можливість використання в широкому діапазоні змін атмосферних умов зі збереженням надійної стабільності роботи. При цьому блок контролю має відносно невисоку вартість. Всі ці переваги дають можливість установити більшу кількість постів на контрольованій території відносно кількості відомих блоків контролю контейнерного типу та збільшити щільність контролю при порівнянній вартості систем. Конструкція запропонованої системи моніторингу характеризується гнучкою архітектурою та базується на використанні відомих елементів, тому технічних труднощів щодо реалізації корисної моделі не передбачається. Система дозволяє проводити збір інформації різними типами датчиків та бути доукомплектованою різноманітними технічними засобами. Приклад конкретного виконання Система автоматичного контролю території здійснюється наступним чином. На території центральної частини м. Харкова загальної площі близько 16 кв. км було встановлено 30 первинних постів контролю радіаційної обстановки (3) на всіх найважливіших перехрестях, як це показано на фігурі 3. На цій фігурі координати х та у зазначено в метрах. За початок відліку прийнято точку (4) - координати поста контролю (4) центрального диспетчерського пункту. Кожен первинний пост (3) було оснащено детектором неперервного рентгенівського та гамма-випромінювання (5) типу "ЕКОЛОГ міні" розміром 100×60×26 мм та масою (з акумуляторною батареєю живлення напругою 9 В) 125 г, який має абсолютну похибку 3 вимірювання 0,01 мк в/годину. Усі детектори були підключені до системи бездротового зв'язку з модулем (2), який передавав отримані сигнали через центральний пост контролю (4) до комп'ютера (1), як це показано на фігурі 1. Модуль зв'язку (2), пост контролю (4) та комп'ютер (1) були розташовані на центральному диспетчерському пункті у приміщенні Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Обробку отриманих сигналів щодо величини експозиційної дози рентгенівського та гама-випромінювання проводили в режимі реального часу на комп'ютері (1) згідно з алгоритмами [3]. Результати обробки у вигляді карти радіаційного забруднення контрольованої території загальної площі близько 16 кв. км наведено на фігурі 4, де потужність експозиційної дози рентгенівського та гамма-випромінювання змінюється від 0,12 3 3 3 мк в/год. (білий колір) до 0,17 мк в/год. (чорний колір) через 0,01 мк в/год. за тоном. Ця карта по системі бездротового зв'язку у режимі реального часу передавалася на комп'ютер штабу МНС Дзержинського району (11), як це показано стрілкою на фігурі 3. Таким чином, запропонована система при її досить невисокій вартості й невеликій складності дозволяє: проводитиконтроль виділеної території за всіма необхідними екологічними показниками у режимі реального часу. Можливість збільшення кількості постів контролю при наявності умов для їх розміщення дозволяє легко розширювати межі контрольованої території. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Система автоматичного моніторингу території, що містить датчики екологічного контролю стану середовища, центральний диспетчерський пункт, засоби радіозв'язку, систему GPS та мобільну телефонну систему, яка відрізняється тим, що датчики екологічного контролю встановлюють на первинних постах контролю, кожен з яких являє собою автономний блок, розміром не більше 300×300×200 мм, причому від 10 до 300 первинних постів контролю розміщують на стаціонарних об'єктах контрольованої території або на автотранспортному засобі для переміщення контрольованою територією, крім того, на кожному первинному посту контролю розміщують блок живлення, мікроконтролер з програмою, модуль зв'язку в бездротовій мережі мобільного оператора та модуль GPS, а центральний диспетчерський пункт містить модуль зв'язку в бездротовій мережі мобільного оператора та комп'ютер із програмним забезпеченням. 3 UA 84133 U 5 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що первинний пост контролю додатково містить модуль для роботи в мережі Ethernet. 3. Система за п. 1 або п. 2, яка відрізняється тим, що первинний пост контролю містить від 10 до 50 роз'ємів для зовнішнього та внутрішнього під'єднання додаткових датчиків екологічного контролю, які вимірюють склад атмосферного повітря, рівень радіаційного фону і одержують різноманітну метеорологічну інформацію. 4 UA 84133 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5