Майкл Паркс, Mouser Electronics
Редкий день проходит без новостей о титанических усилиях ученых, занимающихся мониторингом окружающей среды, например, по получению данных об изменении температуры, парниковых газов, загрязняющих веществ или повышении уровня моря.
По сути, мониторинг окружающей среды похож на первичный медицинский осмотр планеты. Без данных о качестве нашего воздуха, воды и почвы невозможно предпринять грамотные активные действия для поддержания оптимального баланса всех параметров, описывающих различные экосистемы планеты.
Мониторинг окружающей среды предоставляет необходимые данные. Вот лишь некоторые преимущества, которые мы при этом получаем:
- Продовольствие.
Понимание химических характеристик почвы дает возможность фермерам по всему миру принимать обоснованные решения о ведении севооборота, что позволяет обеспечить питанием растущее население.
- Здоровье.
Доктор Риши Манчанда в 2014 году выступил в TED Talk с докладом “What Makes Us Get Sick? Look Upstream” («Что заставляет нас болеть? Посмотрите вверх по течению»). Его рассказ о работе в качестве врача, обслуживающего малообеспеченных жителей Лос-Анджелеса, подчеркивал тот факт, что здоровье человека и состояние окружающей среды тесно связаны между собой. Он отмечал, что иногда при лечении заболеваний мы забываем проверить, не являются ли факторы окружающей среды (например, распространение плесени) в тех местах, где мы живем, работаем, учимся и играем, возможными причинами возникновения болезни.
- Экономика.
Отложив другие проблемы в сторону, просто подумайте об экономических последствиях, которые могут возникнуть, если не учитывать воздействие окружающей среды. На глобальном уровне рост приливов может стать причиной огромных страховых исков из-за затопления домов и другой собственности. Если спуститься на уровень личного хозяйства, то излишний полив газона оказывается не только бесполезным, но также означает пустую трату денег на коммунальные услуги.
Рекомендации по выбору датчиков
Основным инструментом для мониторинга окружающей среды являются датчики. Датчики – это устройства, которые преобразуют физические характеристики окружающей среды (например, температуру, влажность, уровень освещенности и так далее) в электрический сигнал. Выбор правильного датчика для мониторинга окружающей среды становится ключевым фактором успеха.
При выборе датчика необходимо учитывать их тип и характеристики, например:
- Пассивный или активный датчик:
Активные датчики для своей работы требуют питания, тогда как пассивные непосредственно преобразуют физическое воздействие в электрический сигнал;
- Абсолютный или относительный датчик:
Выходной сигнал абсолютного датчика не зависит от условий эксплуатации. И наоборот, выходной сигнал относительного датчика требует сравнения с известной величиной, например, с фиксированным напряжением;
- Диапазон:
Какое минимальное и максимальное значение физической величины может быть измерено? Например, если требуется измерять уровень освещенности, то вам будут интересны самые темные и яркие значения, которые могут быть определены. Если вы выбрали достаточно мощный датчик OPT3001 производства компании Texas Instruments, оценочный набор для которого представлен на рисунке 1, то из его технического описания можно узнать, что он имеет диапазон 0.01…83000 Люкс.
 |
|
| Рис. 1. | Оценочный набор OPT3001EVM для оптического датчика OPT3001 производства Texas Instruments. |
- Чувствительность:
Это отношение выходного сигнала к измеренному физическому воздействию. Другими словами, чувствительность представляет собой наименьшее изменение физической величины, которое может привести к изменению выходного электрического сигнала;
- Время отклика:
Временной интервал, за который начнет изменяться выходной сигнал в ответ на изменение исследуемой физической величины;
- Линейность:
Равномерность преобразования датчиком входного изменения физической величины в изменение выходного сигнала. Идеальный датчик имеет соотношение 1:1 или линейную зависимость между изменением физической величины и выходного сигнала во всем диапазоне измерений. В реальной жизни это невозможно, и поэтому во многих датчиках используются различные методы для коррекции нелинейной зависимости между физическим воздействием и выходным сигналом;
- Разрешение:
Наименьшее изменение физической величины, которое может быть обнаружено;
- Цифровой или аналоговый выходы:
Некоторые датчики имеют встроенный аналого-цифровой преобразователь, который может передавать показания датчиков в цифровом формате в микроконтроллер для дальнейшей обработки (I²C и SPI являются двумя наиболее популярными протоколами). С другой стороны, у некоторых недорогих микроконтроллеров может отсутствовать аппаратная поддержка цифровых интерфейсов, в таких случаях более предпочтительным будет наличие у датчика аналогового выхода;
- Точность:
Значение максимального отклонения между фактическими значениями физического параметра и показаниями датчика. Обязательно уделите особое внимание документации, так как иногда в одном семействе датчиков могут присутствовать модели с различной точностью (обычно это следствие компромиссов между точностью и стоимостью или уровнем потребления). Например, компания Sensirion предлагает линейку высокоэффективных датчиков температуры и влажности SHT3X (внешний вид платы разработчика представлен на рис. 2). Модели SHT31 имеют точность не ниже 2%, тогда как датчики SHT30 имеют точность ±3%;
 |
|
| Рис. 2. | Набор nRF51822 Bluetooth Smart Beacon Kit от Nordic Semiconductor. |
- Дрейф:
Ухудшение характеристик датчика с течением времени, которое приводит к изменению выходного сигнала даже при неизменном физическом воздействии. Дрейф часто определяют как изменение показаний измерений за единицу времени, например, Δ°С/год для датчика температуры;
- Срок службы:
Датчики имеют ограниченный срок службы. После его окончания эффективность датчиков ухудшается, и они должны быть заменены.
При выборе датчика для мониторинга параметров окружающей среды крайне важно знать, при каких условиях он будет эксплуатироваться. Также важно определить, для чего будут использоваться собираемые данные.
Вот некоторое дополнительные вопросы, на которые следует ответить: с какой периодичностью необходимо выполнять чтение, нужно ли указывать дату/время, как часто кто-то будет взаимодействовать с устройством для его обслуживания. Эти ответы, в сочетании с характеристиками и условиями эксплуатации, помогут вам принять решение о выборе датчика.
Дополнительные рекомендации по проектированию
Характеристики сенсора являются не единственным фактором, который необходимо учитывать при разработке надежного решения для мониторинга окружающей среды. Что касается выбора датчика, то, как упоминалось ранее, оценка предполагаемого варианта использования и условий рабочей среды так же значимы, как и принятие системных решений в отношении питания, коммуникаций и возможностей обработки.
Использование сверхточного датчика, установленного в удаленном месте - не столь привлекательная идея, если каждые несколько дней к нему приходится ездить, чтобы заменить батарейки.
Харвестеры альтернативной энергии в сочетании с маломощными датчиками и микроконтроллерами позволяют устанавливать устройства мониторинга окружающей среды в удаленных местах с уверенностью, что контроль параметров будет непрерывным.
Понимание особенностей процесса обмена данными – еще один ключевой фактор. Если вы хотите удаленно «общаться» с вашим устройством, то важно определиться с тем, как оно должно обмениваться информацией. Будет ли оно общаться с другими устройствами на больших расстояниях без участия человека, или человек будет взаимодействовать с устройством на относительно коротких расстояниях, не превышающих нескольких метров?
Полученные ответы могут направить разработку аппаратной части по одному из двух путей:
- Необходимость взаимодействия между машинами (M2M) на больших расстояниях подтолкнет вас к изучению новых технологий, таких как Long Range Wide Area Networks (также известный как LoRaWAN). Компания Microchip Technology предлагает пример реализации такой технологии на базе своего модуля приемопередатчика RN2903.
- Если требуется разработать устройство, которое взаимодействует со смартфоном или планшетом пользователя, тогда для обмена данными следует использовать Bluetooth Low Energy (BLE). Фактически, можно даже применять отладочные платы, в состав которых входит BLE и набор датчиков, предназначенных для мониторинга окружающей среды (рис. 3), например, Broadcom WICED Sense Kit.
 |
|
| Рис. 3. | Набор nRF51822 Bluetooth Smart Beacon Kit от Nordic Semiconductor Надпись: «Люди, работающие вместе, смогут легко и быстро создавать функциональные решения, о которых несколько десятилетий назад профессиональные исследователи в области окружающей среды могли бы только мечтать». |
Это может привести к сокращению времени, затрачиваемого на лабораторные исследования и опыты, и, за счет этого, к увеличению длительности тестирования в условиях реального мира.
Активизация Гражданской науки с помощью электроники DIY
За последнее десятилетие по всему миру наблюдается рост интереса к STEAM (Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics, наука, технология, техника, искусство и математика). Более известное движение Maker Movement возродило интерес людей к практическим проектам и DIY-проектам (Do-It-Yourself projects).
Также наблюдается рост сходного движения Citizen Science (Гражданская наука), которое пытается популяризировать научные исследования, обеспечивая людей знаниями и инструментами для научной деятельности в областях, представляющих личный и местный интерес.
У обоих движений есть интерес к мониторингу окружающей среды. Многие из тех, кто участвует в Citizen Science, используют популярную плату Arduino 101 (рис. 4).
Основываясь на форм-факторе более ранних версий модулей Arduino Uno на базе микроконтроллеров AVR, новые модули Arduino 101 отличаются увеличенной вычислительной мощностью и идеально подходят для научных экспериментов.
 |
|
| Рис. 4. | Arduino 101. |
Плата Intel Arduino 101 построена на базе архитектуры Intel Curie System-on-a-Chip (SoC), и содержит мощный 32-разрядный микроконтроллер Quark SE, Bluetooth Low Energy, встроенные часы реального времени (RTC), 6-осевой акселерометр/гироскоп и схему зарядки аккумулятора.
Широкий встроенный функционал позволяет использовать эту плату в качестве недорогого инструмента для отслеживания особых условий окружающей среды, если готового инструмента найти не удается. Функциональность RTC имеет особое значение для научных исследований, так как для каждого измерения может быть указана дата/время, что важно для будущего анализа при поиске корреляций или связи с показаниями от других датчиков. Поскольку датчики и встроенные платформы становятся все более доступными и удобными для взаимодействия, люди, работающие вместе, смогут легко и быстро создавать функциональные решения, о которых несколько десятилетий назад профессиональные исследователи в области окружающей среды могли бы только мечтать.
Светлое будущее по плану
Забота об окружающей среде становится все более важной задачей, поскольку население растет, а ресурсы истощаются. Даже локальные воздействия могут иметь огромное глобальное влияние. Информация является ключом к пониманию этого влияния. Наличие в нашем распоряжении всей возможной информации позволяет принимать более эффективные решения в целях повышения глобальной устойчивости.
Распространение функциональных и недорогих технологий мониторинга окружающей среды помогает расширить уровень нашей осведомленности. Поскольку стоимость технологий неуклонно падает, применение датчиков будет распространяться все более.
Статью подготовил и перевел Гавриков Вячеслав, г. Смоленск,
по материалам журнала «Electronics information update».
