3. System and component architectur

3. System and component architecture
In this section we will analyze the individual components of
the gas detection system in more details, focusing on the design
choices.
3.1. Sensor and relay nodes
The hazardous gas concentration can be measured using optical,
catalytic and semiconducting gas sensors [16]. The major problem
associated with the measurement of combustible gas concentration
in autonomous devices is the high power consumption associated
with the sensors. In this work, we have used a 2D semiconductor gas
sensor produced on an aluminum membrane [13]. This type of sensor
is characterized by high sensitivity, long lifetime and relatively
low energy consumption (see Table 1 ‘2D semiconductor sensor’).
Besides, the sensor has an ExsIU/ExdIIB+H2U degree of implosion
protection (see the protection requirements in [17]), which makes
it safe to use in a hazardous environment. The system works by
heating the sensitive layer of the sensor to a temperature of around
500 ◦C, and then measuring the conductivity of the semiconductor,
which is affected by the gas concentration. Typical applications [11]
use a continuous measurement mode in which the semiconductor
is kept at a constant temperature. In our system, instead, to further
decrease the energy consumption [18], the sensitive layer is only
heated when measurements are required, which occurs at regular
intervals, i.e., we replaced the continuous measurement mode with
the pulse of a PWM signal implementing a duty-cycle mode [19].
In addition to the gas sensor, the node shown in Fig. 2 includes
a microcontroller, a ZigBee module, and a battery power supply.
All components of the sensor node, as well as its operation modes,
were chosen with respect to minimal energy consumption. The full
block diagram of the sensor node is presented in Fig. 3. Note, that
the relay node is technologically identical to the sensor node except
that it does not include the on-board sensor for sensing capability.
The measurement and data processing is controlled by the 8-bit
ATmega168p RISC microcontroller [20]. The sensitive layer conductivity
and the heater temperature are measured with the AD
converter (ADC) built into the controller. The heater is driven by
a PWM signal with a switching frequency of 1 kHz. Using PWM it
is possible to change the heating profile depending on the environmental conditions and, at the same time, to avoid extra energy
consumption to supply an additional DAC chip, since the PWM signal
is software controlled. In order to let the heating current pass
through, the PWM signal is used to control a transistor switch. As
measurements are taken at regular intervals, functioning of the
measuring section of the circuit is not required in between the
measurements. In this case, the supply voltage of the measuring
section and the microcontroller ADC module are switched off to
reduce power consumption.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

3. ระบบและส่วนประกอบสถาปัตยกรรมในส่วนนี้ เราจะวิเคราะห์แต่ละส่วนประกอบของระบบตรวจจับแก๊สในรายละเอียดเพิ่มเติม เน้นการออกแบบตัวเลือก3.1 การเซ็นเซอร์และรีเลย์โหนสามารถวัดความเข้มข้นก๊าซอันตรายโดยใช้แสงตัวเร่งปฏิกิริยา และตัวก๊าซเซนเซอร์ [16] ปัญหาสำคัญเกี่ยวข้องกับการวัดความเข้มข้นของก๊าซเผาไหม้ในอุปกรณ์อิสระคือการใช้พลังงานสูงที่เกี่ยวข้องมีเซ็นเซอร์กัน ในงานนี้ เราใช้ก๊าซเป็นสารกึ่งตัวนำ 2Dเซ็นเซอร์ที่ผลิตบนเยื่อหุ้มอลูมิเนียม [13] เซนเซอร์ชนิดนี้โดยความไวสูง อายุการใช้งานนาน และค่อนข้างการใช้พลังงานต่ำ (ดูตารางที่ 1 'สารกึ่งตัวนำ 2D เซ็นเซอร์')สำรอง การเซ็นเซอร์ได้ ExsIU / ปริญญา ExdIIB + H2U implosionการป้องกัน (ดูข้อกำหนดคุ้มครองใน [17]), ซึ่งทำให้มันปลอดภัยที่จะใช้ในสภาพแวดล้อมอันตราย ระบบทำงานโดยความร้อนชั้นเซ็นเซอร์อุณหภูมิของสถานที่สำคัญ500 ◦C และวัดแล้ว นำของสารกึ่งตัวนำซึ่งเป็นผลจากความเข้มข้นของก๊าซ ใช้งานทั่วไป [11]ใช้วิธีการประเมินอย่างต่อเนื่องซึ่งสารกึ่งตัวนำที่จะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิคง ระบบของเรา แทน เพื่อเพิ่มลดการใช้พลังงาน [18] ชั้นที่สำคัญคือความร้อนเมื่อวัดจำเป็น ซึ่งเกิดขึ้นที่ปกติช่วง เช่น เราเปลี่ยนโหมดวัดอย่างต่อเนื่องด้วยพัลส์ของสัญญาณ PWM ที่ใช้โหมดรอบภาษี [19]นอกจากเซ็นเซอร์แก๊ส รวมโหนดที่แสดงใน Fig. 2เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ โมดูล ZigBee และมีแบตเตอรี่จ่ายไฟส่วนประกอบทั้งหมดของโหนเซ็นเซอร์ ตลอดจนวิธีการดำเนินการถูกเลือกกับการใช้พลังงานน้อยที่สุด เต็มFig. 3 จะแสดงบล็อกไดอะแกรมของโหนเซ็นเซอร์ หมายเหตุ ที่โหนดรีเลย์เป็นเทคโนโลยีเหมือนกับเซ็นเซอร์โหนดยกเว้นไม่มีเซนเซอร์สำหรับตรวจวัดความสามารถเหลือเฟือการวัดและประมวลผลข้อมูลจะถูกควบคุม โดย 8 บิตATmega168p RISC ไมโครคอนโทรลเลอร์ [20] นำชั้นที่สำคัญและวัดอุณหภูมิฮีตเตอร์กับโฆษณาแปลง (ADC) อยู่ในตัวควบคุม ฮีตเตอร์ที่ถูกควบคุมโดยสัญญาณ PWM ที่ มีความถี่ 1 kHz สลับ ใช้ PWM ได้สามารถเปลี่ยนค่าความร้อนขึ้นอยู่ กับสภาพแวดล้อม และ พร้อม กัน การหลีกเลี่ยงการเพิ่มพลังงานปริมาณการใส่ชิป DAC เพิ่มเติม ตั้งแต่สัญญาณ PWMซอฟต์แวร์ควบคุม เพื่อให้ผ่านปัจจุบันร้อนผ่าน สัญญาณ PWM จะใช้ในการควบคุมสวิตช์ทรานซิสเตอร์ เป็นดำเนินการประเมินอย่างสม่ำเสมอ การทำงานของการวัดส่วนของวงจรไม่จำเป็นในระหว่างการวัด ในกรณีนี้ แรงดันไฟฟ้าของการวัดโมดูล ADC ไมโครคอนโทรลเลอร์และส่วนที่ปิดไปreduce power consumption.

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

3. ระบบและสถาปัตยกรรมองค์ประกอบในส่วนนี้เราจะวิเคราะห์แต่ละองค์ประกอบของระบบตรวจจับก๊าซในรายละเอียดมากขึ้นโดยมุ่งเน้นในการออกแบบทางเลือก. 3.1 เซนเซอร์และรีเลย์โหนดความเข้มข้นของก๊าซที่เป็นอันตรายสามารถวัดได้โดยใช้แสงเซ็นเซอร์ก๊าซเร่งปฏิกิริยาและสารกึ่งตัวนำ[16] ปัญหาสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการวัดความเข้มข้นของก๊าซที่ติดไฟได้ในอุปกรณ์ในกำกับของรัฐคือการใช้พลังงานสูงที่เกี่ยวข้องกับการเซ็นเซอร์ ในงานนี้เราได้ใช้ก๊าซเซมิคอนดักเตอร์ 2D เซ็นเซอร์ผลิตเยื่ออลูมิเนียม [13] ประเภทของการเซ็นเซอร์นี้มีเอกลักษณ์เฉพาะด้วยความไวสูงอายุการใช้งานที่ยาวนานและค่อนข้างใช้พลังงานต่ำ(ดูตารางที่ 1 '2D เซ็นเซอร์เซมิคอนดักเตอร์). นอกจากนี้เซ็นเซอร์มี ExsIU / ExdIIB + H2U ระดับของการระเบิดการป้องกัน(ดูความต้องการการป้องกันใน [ 17]) ซึ่งทำให้มันปลอดภัยที่จะใช้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย ระบบการทำงานโดยการให้ความร้อนชั้นที่มีความสำคัญของเซ็นเซอร์ที่อุณหภูมิรอบ500 ◦Cและจากนั้นการวัดค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำที่ซึ่งเป็นผลกระทบจากความเข้มข้นของก๊าซ การใช้งานทั่วไป [11] ใช้โหมดการวัดอย่างต่อเนื่องซึ่งในเซมิคอนดักเตอร์ถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิคงที่ ในระบบของเราแทนเพื่อลดการใช้พลังงาน [18], ชั้นที่สำคัญเป็นเพียงอุ่นเมื่อวัดที่จะต้องเกิดขึ้นที่ปกติช่วงเวลาคือเราเปลี่ยนโหมดการวัดต่อเนื่องกับการเต้นของชีพจรของสัญญาณPWM ในการดำเนินการที่ โหมดหน้าที่วงจร [19]. นอกจากเซ็นเซอร์ก๊าซโหนดแสดงในรูป 2 รวมถึงไมโครคอนโทรลเลอร์โมดูลZigBee และแหล่งจ่ายไฟแบตเตอรี่. ส่วนประกอบทั้งหมดของโหนดเซ็นเซอร์เช่นเดียวกับโหมดการทำงานของตนได้รับการแต่งตั้งที่เกี่ยวกับการใช้พลังงานน้อยที่สุด เต็มบล็อกไดอะแกรมของโหนดเซ็นเซอร์จะถูกนำเสนอในรูป 3. โปรดทราบว่าโหนดการถ่ายทอดเทคโนโลยีที่เป็นเหมือนกันกับโหนดเซ็นเซอร์ยกเว้นว่ามันไม่ได้รวมถึงการเซ็นเซอร์บนกระดานสำหรับความสามารถในการตรวจจับ. การวัดและการประมวลผลข้อมูลที่ถูกควบคุมโดย 8 บิตATmega168p ไมโครคอนโทรลเลอร์ RISC [20] การนำชั้นที่สำคัญและอุณหภูมิความร้อนจะถูกวัดด้วยการโฆษณาแปลง(ADC) ที่สร้างขึ้นในการควบคุม เครื่องทำความร้อนจะขับเคลื่อนด้วยสัญญาณ PWM ที่มีความถี่ในการเปลี่ยนจาก 1 เฮิร์ทซ์ ใช้ PWM มันเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนรูปแบบความร้อนขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมและในเวลาเดียวกันเพื่อหลีกเลี่ยงการพลังงานเพิ่มการบริโภคในการจัดหาชิปDAC เพิ่มเติมเนื่องจากสัญญาณ PWM เป็นซอฟต์แวร์ควบคุม เพื่อที่จะให้ความร้อนในปัจจุบันผ่านการผ่านสัญญาณ PWM จะใช้ในการควบคุมสวิทช์ทรานซิสเตอร์ ในฐานะที่เป็นวัดที่จะได้รับในช่วงเวลาปกติการทำงานของส่วนการวัดของวงจรไม่จำเป็นต้องใช้ในระหว่างการตรวจวัด ในกรณีนี้แรงดันของวัดส่วนและโมดูลไมโครคอนโทรลเลอร์ ADC จะถูกปิดเพื่อลดการใช้พลังงาน

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

3 . สถาปัตยกรรมระบบและ
ส่วนประกอบ ในส่วนนี้เราจะวิเคราะห์แต่ละส่วนประกอบของระบบตรวจจับก๊าซ
ในรายละเอียดเพิ่มเติม เน้นออกแบบทางเลือก
.
1 . เซ็นเซอร์และถ่ายทอดโหนด
ความเข้มข้นก๊าซอันตรายที่สามารถวัดได้โดยใช้แสงและเซ็นเซอร์แก๊สกึ่งตัวนำตัวเร่งปฏิกิริยา
[ 16 ] ปัญหาที่สำคัญที่เกี่ยวข้องกับวัด

ความเข้มข้นของก๊าซที่ติดไฟได้ในอุปกรณ์ต่อการบริโภคพลังงานสูงที่เกี่ยวข้อง
กับเซนเซอร์ ในงานนี้เราได้ใช้ 2D สารกึ่งตัวนำแก๊ส
ผลิตบนแผ่นเซ็นเซอร์อลูมิเนียม [ 13 ] ของเซ็นเซอร์
ชนิดนี้เป็นลักษณะความไวสูง , อายุการใช้งานที่ยาวนานและค่อนข้าง
ใช้พลังงานน้อย ( ดูจากตาราง 1 ' 2 มิติ ( เซนเซอร์ ) .
นอกจากนี้ เซ็นเซอร์มี exsiu / exdiib h2u ระเบิด
.ป้องกัน ( เห็นความต้องการในการคุ้มครอง [ 17 ] ) ซึ่งทำให้
มันปลอดภัยที่จะใช้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย ระบบทำงานโดย
ร้อนไว ชั้นของเซ็นเซอร์อุณหภูมิประมาณ 500 ◦
c แล้ววัดค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ
ซึ่งได้รับผลกระทบจากน้ำมันเข้มข้น โดยทั่วไปการใช้งาน [ 11 ]
ใช้โหมดการวัดแบบต่อเนื่อง ซึ่งในสารกึ่งตัวนำ
เก็บไว้ที่อุณหภูมิคงที่ ในระบบของเรา แทน เพื่อลดการใช้พลังงานอีก
[ 18 ] ชั้นอ่อนไหวเพียง
อุ่นเมื่อวัดที่ต้องการ ซึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลาปกติ
คือเราเปลี่ยนโหมดการวัดแบบต่อเนื่องกับ
ชีพจรของสัญญาณ PWM ใช้รอบหน้าที่โหมด [ 19 ] .
นอกจากนี้ กับก๊าซเซนเซอร์โหนดที่แสดงในรูปที่ 2 รวมถึง
ไมโครคอนโทรลเลอร์ , Zigbee Module และแบตเตอรี่แหล่งจ่ายไฟ
ส่วนประกอบทั้งหมดของโหนดเซ็นเซอร์รวมทั้งการดำเนินงานโหมด
ถูกเลือกด้วยการใช้พลังงานน้อยที่สุด เต็มรูปแบบแผนภาพของโหนดเซ็นเซอร์
บล็อกที่แสดงในรูปที่ 3 หมายเหตุ ที่ถ่ายทอดเทคโนโลยี
โหนดเป็นโหนดยกเว้น
เหมือนเซ็นเซอร์มันไม่รวมบอร์ดเซ็นเซอร์สามารถตรวจจับ .
การวัดและการประมวลผลข้อมูลจะถูกควบคุมโดยไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิต
atmega168p RISC [ 20 ] มีชั้น g
และอุ่นอุณหภูมิที่วัดได้กับโฆษณา
Converter ( ADC ) ที่สร้างขึ้นในการควบคุม เครื่องทำน้ำอุ่นที่ถูกขับเคลื่อนโดย
สัญญาณ PWM ที่มีความถี่ 1 กิโลเฮิรตซ์ ใช้นำมัน