Лёгкое дыхание прогресса: в МАИ разработали «умные» сенсоры

Ежегодно в России взрывы или утечка газа уносит десятки человеческих жизней. С этой проблемой начали бороться в Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете). На кафедре «Радиоэлектроника, телекоммуникации и нанотехнологии» Института аэрокосмических конструкций, технологий и систем управления коллектив учёных под руководством профессора Александра Баранова уже несколько лет разрабатывает и совершенствует беспроводные газовые датчики с чрезвычайно малым энергопотреблением.

Они способны определять концентрацию различных токсичных газов в предельно допустимой концентрации (ПДК) и горючих газов в диапазоне нижнего концентрационного порога распространения (НКПР) пламени. При этом датчики работают автономно в течение нескольких лет. В частности, созданы беспроводные устройства для мониторинга угарного газа, сероводорода, оксида азота, метана, водорода и их смеси.

Перспективное научное направление, успешные разработки получили отклик не только в России, но и за рубежом. Статьи профессора Баранова и его научной группы о проводимых исследованиях в области беспроводных газовых сенсоров и их результаты ежегодно публикуются в лучших научных изданиях, входящих в базы данных Scopus и Web of Science. В декабре 2016 года, статья Александра Баранова была признана одной из самых цитируемых в ведущем научном журнале по сенсорной тематике «Sensors & Actuators: A. Physical».

Копилка силы и энергии

Беспроводные газовые датчики, разработанные в МАИ, можно применять не только в домашних условиях, но и на предприятиях различных отраслей промышленности. Например, на нефтеперерабатывающих заводах, где мониторинг газового состава с целью недопущения превышения предельно допустимой концентрации газа в атмосфере — задача жизненной важности. При этом установка газовых датчиков, требующих подводки электрического питания и кабелей для передачи данных, на таких предприятиях по разным причинам не всегда возможна.

— Обычно к стационарным газовым датчикам подходит несколько проводов для обеспечения электрического питания и съёма данных, — отмечает Александр Баранов. — Использование радиоканала позволило нам избавиться от провода, по которому в диспетчерскую передаётся информация о составе газовой среды. Но сам датчик всё равно остаётся «привязанным» к электрической розетке и может располагаться только в тех местах, где есть электрическое питание. Этот фактор ограничивает области применения таких датчиков. Если говорить о батарейках, то устройство сможет проработать несколько суток. Эти выводы привели нас к мысли, что необходимо разрабатывать принципиально новый подход к созданию датчиков и проведению измерений для радикального уменьшения энергопотребления до такого уровня, чтобы устройство работать от обычной батарейки продолжительное время.

Учёным из МАИ удалось, казалось бы, невозможное. Предложив оригинальные схемотехнические решения, энергоэффективные алгоритмы управления датчиком и импульсные методики проведения измерений газового состава, им удалось сократилось энергопотребление беспроводных газовых датчика в сотни раз, до десятых милливатта. И теперь датчик мог автономно выполнять свои функции два-три года. Кроме того, эти уникальные устройства «научили» собирать, накапливать и использовать энергию от альтернативных источников.

— Энергия в батарейках, рано или поздно закончится, — отмечает Александр Баранов, — поэтому разрабатываются системы, позволяющие собирать природную энергию. Для улицы — это солнце, ветер, а для помещения — пьезоэлектричество, которое получается за счёт вибрации или СВЧ энергия, излучаемая в пространство системами мобильной связи, Wi-Fi-роутеров и другими СВЧ- устройствами.

При этом, по словам Александра Баранова, не надо строить громоздкие и сложные системы для сбора электроэнергии. Достаточно маленьких компактных солнечных батареек, ветрогенераторов и пьезоэлектрических преобразователей.

Особое общение

Беспроводные датчики можно объединить в беспроводную сенсорную сеть, при этом они будут работать как единый организм.

— Территорию целого объекта можно «обвешать» беспроводными датчиками и получить полную картину о состоянии атмосферы на предприятии в реальном времени, — отмечает Александр Баранов. — Они соединены друг с другом и образуют беспроводную распределённую сенсорную сеть. Конечно, несколько бетонных стен такие датчики могут «не пробить», но в них заложены специальные алгоритмы накопления и обмена информации. Таким образом, они могут передавать данные находящемуся рядом датчику, тот — другому и так далее через весь объект. Пока сведения не дойдут до диспетчерского пункта.

На случай, если устройство всё же «заподозрило» опасность, на пункт поступает предупреждение об опасной ситуации. В случае продолжающегося увеличения концентрации газа, «умная» система отдаёт команду тревоги, после которой происходит автоматическое закрытие газового клапана и срабатывание сигнализации.

— Можно также отправить сообщение на номер ответственного за безопасность лица, — отмечает Александр Баранов. — В устройства встроен GSM-модем.

Кроме того, датчики имеют интеллектуальную функцию самодиагностики. Радиоканал, через который происходит обмен данными, также помогает датчику вовремя «предупредить» о своём самочувствии. Например, если вышел из строя сенсор, кончается заряд батарейки, произошел сбой при измерениях или перестал функционировать какой-то блок, сам беспроводный датчик «отправит» соответствующую радиокоманду сигнал на диспетчерский пост.

Кстати, помимо самих устройств, в МАИ также разработали универсальную платформу для гармоничной работы различных типов датчиков — с аналоговым и цифровым входом, а также электрохимических, каталитических, полупроводниковых и оптических — их комбинации и управления.

Индекс успеха

Уникальные маёвские разработки для мониторинга состояния окружающей среды идеально подходят для направления, очень востребованного во всём мире, — «умный дом». Однако по сравнению с уже имеющимися в Европе и Америке устройствами, которые позволяют контролировать влажность, температуру и освещение в квартирах и домах, беспроводные газовые датчики, изобретённые в МАИ, — настоящий прорыв. Ведь они могут не только не только измерять концентрацию горючих газов, но и предотвращать утечку газа из-за уникальной способности отдавать команды исполнительным устройствам по радиоканалу. Датчики управляют газовыми клапанами, могут включать и выключать вентиляцию, электрическое питании, другие электронные устройства. И при этом они способны автономно работать очень долго по сравнению с существующими аналогами.

Коллектив разработчиков получил несколько патентов, которые принадлежат МАИ. Кстати, работы в таком направлении пока что наиболее успешно развиваются только на кафедре «Радиоэлектроника, телекоммуникации и нанотехнологии» Института аэрокосмических конструкций, технологий и систем управления МАИ.

В этой связи периодичность, с которой публикуются материалы исследований коллектива профессора Александра Баранова в мировых изданиях и растущий индекс Хирша самого учёного, не вызывает вопросов. По словам Александра Баранова, тема беспроводных сенсоров только кажется узкой.

— Сейчас наша группа готовит к публикации несколько статей в различных научных изданиях с высоким импакт-фактором — выше 4-х, — отмечает Александр Баранов. — Это требует тщательной постановки и описания экспериментов, хорошего знания научных исследований, проводимых в России, Европе, США и Японии, а также хорошего владения английским языком.

В коллективе работает много молодёжи, аспирантов и уже сложившихся учёных. Все они — талантливые и амбициозные инженеры. В 2016 году двое аспирантов Александра Михайловича — Алексей Карелин и Саба Акбари — защитили кандидатские диссертации.