Известно, что происходит бурное развитие беспроводных сенсорных сетей (БСС) [1], которые представляют собой сеть [2], состоящую из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств, — беспроводных сенсорных узлов (БСУ). Текущий анализ промышленных объектов в России показывает, что требуется внедрение беспроводных сенсорных сетей, которые позволяют организовать круглосуточный мониторинг атмосферы на наличие взрывоопасных и отравляющих газов. Современные БСУ для мониторинга атмосферы состоят из микроконтроллера, приемопередатчика, газового сенсора, интеллектуального источника питания на основе альтернативных источников энергии. Для обслуживания таких БСС требуется возможность «горячей замены» сенсорного элемента, так как чувствительные аналоговые элементы часто требуется калибровать или полностью заменять. Создание серии цифровых газовых датчиков (ЦГД), обладающих единым цифровым интерфейсом, протоколом обмена данными, унифицированным набором команд, методиками настройки, калибровки и поверки является актуальной задачей для больших систем мониторинга промышленной безопасности.
В рамках проекта разрабатывается макет ЦГД взрывоопасных газов для БСУ. В качестве аналогового чувствительного элемента был подобран отечественный сенсор кислорода O2. Разработанный ЦГД для измерения концентрации O2 в окружающей среде в отличие от аналоговых датчиков является калиброванным средством измерения и обеспечивает автоматическую температурную коррекцию и самодиагностику. При смене датчика не требуется проводить дополнительные операции по калибровке и переконфигурации системы, поскольку все необходимые данные содержатся в памяти датчика и могут быть прочитаны с помощью специальных команд протокола.
Аналогово-цифровая схема газового датчика выполнена на основе 32-разрядного микроконтроллера, который имеет ΣΔ АЦП с дифференциальными входами и внутренним усилителем. Для подключения сенсорного элемента требуется миниатюрный операционный усилитель, который позволяет усиливать напряжение выходного сигнала. Вместе с сенсорным элементом используется внутренний датчик температуры микроконтроллера, который позволяет проводить компенсацию температурной зависимости чувствительного элемента. ЦГД имеет EEPROM-память, в которой сохраняются настроечные константы на конкретный чувствительный элемент, — калибровочные константы. ЦГД выполняет функции аналого-цифрового преобразования, корректировки данных, передачи данных к вычислительному устройству по специальному протоколу, используя шину SPI. Для создания цифровой платы газового сенсора используется 32-разрядный микроконтроллер 1986ВЕ4У1 со встроенной flash-памятью программ. Периферия микроконтроллера включает в себя 8 каналов 24-битных независимых ΣΔ АЦП. Каждый канал АЦП имеет предусилитель, фазовую подстройку (для коррекции фазы не хуже 0,1 град.).