Статьи

Каждый день мы пользуемся огромным количеством портативных электронных устройств, а вечером подключаем их к розеткам, чтобы «накормить»  электрической энергией. На предприятиях это происходит в ещё больших масштабах и круглосуточно. В условиях, требующих использования большого числа устройств, задача становится крайне сложной.

Поэтому если бы, например, системы промышленной безопасности и экологического мониторинга, состоящие из множества датчиков, стали независимыми от проводов и розеток – это сэкономило бы кучу денег и ресурсов. Именно такую задачу поставили учёные кафедры «Радиоэлектроника, телекоммуникации и нанотехнологии» МАТИ.

Как она решается, мы расспросили руководителя проекта, поддержанного ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы», профессора, доктора технических наук, Александра Баранова.

- Александр Михайлович, с какими научными или технологическими проблемами вы столкнулись при реализации проекта?

Проблемы, собственно, две. Как собирать данные с большого числа датчиков (их может быть сотни и тысячи). И как обеспечить питание этих устройств?

С первой проблемой мы частично справились. Данные измерений можно передавать по радиоканалу, то есть беспроводным способом – для этого разработаны специальные стандарты связи, обеспечивающие сбор данных с датчиков, распределённых в пространстве.

Вторая проблема кажется парадоксальной и с первого взгляда не решаемой – устройства, которые передают данные без проводов, нуждаются в электрических проводах, чтобы получать питание. Тем интереснее задача – создать автономные беспроводные сенсоры для мониторинга параметров окружающей среды (газового состава, температуры, влажности, радиации, скорости ветра, осадков).

Сотрудники нашей кафедры лет пять назад приступили в инициативном порядке к разработкам в области газовых сенсоров, беспроводных газовых датчиков и беспроводных сенсорных сетей. Начинали с расчётов, тестирования, испытания сенсоров, которые нам предоставляли партнёры. Когда появились теоретические и экспериментальные результаты, мы их стали публиковать, искать заказчиков и подавать заявки на получение грантов. И так уж получилось, что по объективным показателям (числу статей и патентов, широте и объёму выполненных исследований) сегодня мы – сильнейшая группа в России в области разработки автономных беспроводных датчиков и беспроводных сенсорных сетей, которые назвали «умная пыль», для мониторинга газового состава окружающей среды.

- Кто индустриальный партнёр проекта, и в чём заключается его участие?

Это коммерческая компания «Научно-технический центр измерительных газочувствительных датчиков» (ООО «НТЦ ИГД»), выпускающая сенсоры метана и горючих газов, а также разрабатывающая датчики горючих газов. Компания существует около 20 лет, имеет широкие связи, в том числе, с иностранными компаниями.

У нашего индустриального партнёра весьма солидный объём работ и доля финансирования (12,25 миллиона из 57 миллионов рублей общей стоимости проекта). ООО «НТЦ ИГД» выполняет работы, которые в дальнейшем обеспечат коммерциализацию разработок, иначе говоря, создаёт инфраструктуру для их использования.

Датчики, которые мы делаем, должны встраиваться в систему визуализации, которая будет отображать данные, регистрируемые с их помощью. Разработкой такой системы и занимается индустриальный партнёр. В этой системе есть интерфейс, «железо» и программное обеспечение. То есть датчики собирают и передают информацию, а система её принимает, выводит на экран, обрабатывает и затем принимает решение – что делать дальше.

- С помощью какого принципа будет достигаться «беспроводность» питания датчиков?

Сейчас мы как раз работаем над созданием беспроводного сенсорного узла для построения самоорганизующихся и энергонезависимых беспроводных сетей из датчиков (сенсорных сетей). В корпус этого устройства должен быть встроен интеллектуальный источник питания, куда входят накопитель энергии на основе сверхъёмких тонкоплёночных конденсаторных ячеек и контур заряда от альтернативного источника энергии. В качестве альтернативных источников энергии рассматривается солнечная и ветровая энергия, а также механическая энергия и электромагнитная энергия СВЧ диапазона. Окончательный выбор источников энергии будет зависеть от мощности, которая необходима для обеспечения питания датчика, что в свою очередь связано с кругом решаемых задач на стадии проведения мониторинга.

- Что ожидается на выходе?

Мы должны создать экспериментальный образец такого устройства, иначе говоря, прототип «умного» датчика, разработать техническую, технологическую и конструкторскую документацию для того, чтобы запустить серийное производство. И уже в 2017 году индустриальный партнёр проекта может «подхватить» разработку и начать её внедрение.

- Где могут применяться беспроводные сенсорные узлы и сети?

У нас в стране свыше 80 тысяч нефтегазовых и связанных с химией производств, включая бензоколонки, газо- и нефтепроводы, где нужен постоянный мониторинг и контроль. К нам уже обращались представители –нефтеперерабатывающего завода, которые оснастили персональными датчиками своих работников, и пока они работают на предприятии, ведётся мониторинг газовой среды. Данные собираются и передаются. Заодно идёт непрерывный контроль над их перемещением по территории, что тоже немаловажно для работодателя.

Помимо промышленности, устройства могут найти применение в качестве сигнализаторов газа на кухнях и в жилых домах, в которых используется пропан-метан. Сейчас есть датчики метана, но им нужна электрическая розетка. Если датчик сможет обходиться без неё, полностью изменится рынок таких устройств – ведь газовых кухонь у нас миллионы.

Так что будущее мы видим без проводов.