IoT prototyp pro sledování CO a LPG v garážích

Problém

Podzemní garáže potřebují hlídat koncentrace škodlivin

Téma bakalářské práce jsem postavil na vlastním nápadu: vyřešit praktický problém s parkováním vozidel na LPG v podzemních hromadných garážích. Před garážemi tehdy často stála značka zakazující vjezd vozidel na LPG. Pokud měl provozovatel zákaz technicky odstranit, potřeboval měřit koncentrace škodlivin v ovzduší a reagovat podle ČSN 73 6058.

Norma v garážích pracuje s oxidem uhelnatým (CO), oxidy dusíku (NOx), benzenem (C6H6), prachovými částicemi, sazemi a těkavými látkami z provozních kapalin. Pro hromadné garáže je rozhodující CO. Pro garáže s povolením vjezdu vozidel na LPG dává smysl sledovat i propan-butan (C3H8-C4H10), protože se vzduchem tvoří výbušnou směs.

Praktický úkol zněl navrhnout zařízení, které měří CO a LPG, lokálně signalizuje stav, předává hodnoty bezdrátově a může sloužit jako základ pro další verzi výrobku do hromadných garáží nebo garáží rodinných domů.

Řešení

Bezdrátový měřicí uzel se senzory CO a LPG

Vznikl prototyp měřicího zařízení s vlastní deskou plošných spojů, napájecí částí, senzory MQ-6 pro LPG a MQ-7 pro oxid uhelnatý, LED signalizací, USB/UART připojením a bezdrátovým modulem ZigBit ATZB-24-A2. Firmware běžel nad BitCloud stackem a používal ZigBee / IEEE 802.15.4 komunikaci.

Síť pracovala s koordinátorem a směrovači. Směrovač měřil koncentrace, zpracoval hodnoty z A/D převodníku, lokálně signalizoval stav LED diodami a posílal data ke koordinátorovi. Koordinátor mohl data předat dál například nadřazenému systému pro ventilaci nebo statistiky.

Na prototypu jsem řešil celý produkt: elektrotechnické schéma, výběr součástek, návrh desky plošných spojů, ruční pájení součástek na desku, oživení zařízení a všechny firmwary. Vznikly firmwary pro testování desky, předehřev senzorů, koordinátora a směrovač.

Nejtěžší část byla propojit hardware a firmware do jednoho funkčního celku. Deska musela pracovat se třemi napěťovými úrovněmi, zapínat a vypínat napájení senzorů, připojit ZigBit k počítači přes FT232RL, číst A/D převodník, řídit LED signalizaci a posílat potvrzovaná data přes ZigBee síť. Do toho se přidaly chyby BitCloud stacku 1.14.0 při použití Atmel Studio 6, které bylo nutné dohledat a obejít.

01Senzorový uzel v pravidelných cyklech měřil CO a LPG.

02Firmware průměroval hodnoty, řešil rozdílné chování senzorů a signalizoval stav na zařízení.

03Naměřená data se posílala přes ZigBee síť ke koordinátoru s potvrzením přenosu.

Výsledek

Funkční základ pro další IoT zařízení

Výsledkem byl navržený, vyrobený a naprogramovaný prototyp. Práce zahrnovala celý řetězec od nápadu a návrhu součástek přes desku plošných spojů a ruční osazení až po firmware pro testování desky, předehřev senzorů, koordinátora a směrovače.

Prototyp ukázal kompletní cestu od požadavku v konkrétním prostředí po embedded software a bezdrátovou komunikaci. Stejný typ práce se dnes hodí pro interní nástroje, IoT prototypy, automatizaci provozu, sběr dat ze zařízení a napojení měření na webovou nebo mobilní aplikaci.

Ukázky projektu

Ukázky návrhu prototypu

Výřezy z bakalářské práce ukazují napájení, převodník, zapojení, PCB a popis logických částí zařízení.

Obrázek 4.2 Schéma napájení přístroje pro IoT prototyp sledování CO a LPG — Obrázek 4.2: Schéma napájení přístroje.

Obrázek 4.3 Spínaný snižující měnič napětí pro senzor CO — Obrázek 4.3: Spínaný snižující měnič napětí.

Obrázek 4.6 Zapojení převodníku FT232RL mezi USB a ZigBit UART — Obrázek 4.6: Zapojení převodníku.

Obrázek B.1 Schéma zapojení přístroje se ZigBit ATZB-24-A2 a senzory MQ-6 MQ-7 — Obrázek B.1: Schéma zapojení přístroje.

Obrázek B.2 Schéma desky plošných spojů pro prototyp sledování CO a LPG — Obrázek B.2: Schéma desky plošných spojů.

Obrázek B.3 Popis logických částí přístroje s CO senzorem LPG senzorem a ZigBit modulem — Obrázek B.3: Popis logických částí přístroje.

Literatura

Zdroje použité v bakalářské práci

ENERGIZER HOLDINGS: Ultimate Lithium Batteries. 2012.
MC34063A design tool. 2013. Odkaz
ATMEL CORPORATION: Atmel AVR2054: Serial Bootloader User Guide. 2011.
ATMEL CORPORATION: ZigBit 2.4 GHz Wireless Modules. 2009.
ATMEL CORPORATION: 8-bit Atmel Microcontroller with 64K/128K/256K Bytes In-System Programmable Flash. 2012.
ATMEL CORPORATION: Atmel AVR2051: Atmel BitCloud SerialNet: User Guide. 2012.
ATMEL CORPORATION: Atmel AVR2050: Atmel BitCloud: Developer Guide. 2012.
DIODES INCORPORATED: AP2141/AP2151: 0.5A single Channel Current-Limited power switch. 2009. Odkaz
Farahani, S.: ZigBee Wireless Networks and Transceivers. Elsevier Ltd, 2008.
FLAGA S.R.O.: Bezpečnostní list: Propan-butan. 2013.
FTDI: USB UART IC FT232R. 2012. Odkaz
HANWEI SENSORS: Technical data MQ-6 GAS SENSOR. 2007. Odkaz
HANWEI SENSORS: Technical data MQ-7 GAS SENSOR. 2007. Odkaz
Mikulčák, J.; Široký, B.; Šůla, J.; aj.: Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. PROMETHEUS, 2011.
Plíva, Z.: EAGLE prakticky: řešení problémů při běžné práci. BEN, 2007.
PRIMAGAS S.R.O.: Bezpečnostní list: LPG - motorové palivo. 2012. Odkaz
Česká republika: Vyhláška č. 268/2011 Sb. 2011. Odkaz
Česká republika: Vyhláška č. 23/2008 Sb. 2008. Odkaz
STMICROELECTRONICS: DC/DC converter control circuits. 2007.
TEXAS INSTRUMENTS: LP2950/LP2951 Series of Adjustable Micropower Voltage Regulators. 2011.
TEXAS INSTRUMENTS: Current-Limited, Power-Distribution Switches. 2011.
ÖNORM H 6003: Lüftungstechnische Anlagen für Garagen - Grundlagen, Planung, Dimensionierung. 1997.
ČSN 73 6058: Jednotlivé, řadové a hromadné garáže. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.