IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Профессия пожарного относится к одной из самых опасных. В условиях реального пожара спасателям приходится сталкиваться с угрозами взрыва, обрушения несущих конструкций, воздействия отравляющих веществ, поражения электротоком и с другими опасными факторами, которые могут привести и, к сожалению, приводят к телесным повреждениям, отравлениям, радиационному облучению и смерти. Примеров гибели пожарных немало. Их безопасность при тушении пожаров и ликвидации ЧС природного и техногенного характера, наряду со специальными правилами и приемами, обеспечивается еще и надежными, эффективными и удобными в работе СИЗ (средствами индивидуальной защиты).

К таким СИЗ относятся: боевая одежда пожарного, средства защиты головы, пожарный пояс, специальная обувь, аппараты защиты органов дыхания и др. Именно СИЗ должны защитить от опасных факторов пожара.

1. Принцип работы системы сигнализации неподвижного состояния («маяка») спасателя МЧС

«Маяк» спасателя МЧС - это мобильная приемопередающая станция (МППС) в виде кейса или стационарно расположен в аварийно-спасательной машине, с индивидуальными приемопередатчиками. «Маяк» спасателя МЧС предназначен для охраны и спасения жизни пожарных при работе в условиях чрезвычайных ситуаций: при тушении пожаров в зданиях со сложной планировкой, а также при угрозе обрушения и воздействия внешних факторов пожара. В случае если пожарный обездвижен более 45 секунд или вручную активизирует сигнал тревоги, то «маяк»спасателя выполняет следующие функции:

• передает радиосигнал "Тревога" и номер пожарного на мобильную приемопередающую станцию(МППС);

• попеременно включает мощную сирену (100 дБ), которая слышна на расстоянии до 100 м;

• включает сверхъяркие вспышки для поиска пожарного (два сверхъярких излучателя расположены под разными углами к поверхности корпуса), обеспечивая поиск на расстоянии до 10 м в условиях сильной задымленности;

• передает радиосигнал "Тревога" и свое местоположение в дежурную часть, что дает возможность координировать действия других спасателей.

В случае необходимости дежурный на посту безопасности может экстренно оповестить весь личный состав о срочной эвакуации из опасной зоны, например при угрозе обрушения или взрыва. Для этого достаточно нажать кнопку "Всем выход" на мобильной станции, и сигнал автоматически будет доставлен каждому пожарному.

Таким образом, у комплекса «маяк» спасателя МЧС три основные функции:

• Обнаружение спасателей. Обездвиженных в результате экстремальной ситуации, по средствам сирены, сверхъярких вспышек;

• Экстренное оповещение об эвакуации из данного периметра – сигнал «Всем на выход»;

• Контроль давления в дыхательном аппарате (Модернизированные версии «маяк» спасателя МЧС).

«Маяк» спасателя также применяется в других областях, например для охраны работников железной дороги.

Для создания сигнализатора неподвижного состояния были выбраны следующие компоненты: датчики движения - (акселерометр и гироскоп MPU6050), данный МЭМС содержал в себе гироскоп и акселерометр что позволяло экономить пространство и упрощает подключение; микроконтроллер Arduino был выбран из-за его просто интерфейса, массогабаритных размеров, надежности и ценовой политики; радиоканал с передатчиком МX-F01 и приемником MX-RM; микроконтроллер Arduino, через который сигнал с приемникапредается на компьютер.

МикросхемаMPU6050 (рис. 1) содержит на борту, как акселерометр, так и гироскоп, а помимо этого еще и температурный сенсор. MPU6050 является главным элементом модуля GY-531. Помимо этой микросхемы на плате модуля расположена необходимая обвязка MPU6050, в том числе подтягивающие резисторы интерфейса I²C, а также стабилизатор напряжения на 3,3 вольта с малым падением напряжения (при питании уже в 3,3 вольта на выходе стабилизатора будет 3 ровно вольта) с фильтрующими конденсаторами. Размер платы модуля GY-521 10 х 20 мм.

Рис. 1. Микросхема MPU-6050

Характеристики MPU6050:

• напряжения питания 2,375 - 3,46 вольт;

• потребляемый ток до 4 мА;

• интерфейс передачи данных – I²C;

• максимальная скорость I²C - 400 кГц;

• вход для других датчиков I²C;

• внутренний генератор на 8 МГц (вне модуля возможность подключить внешний кварцевый резонатор на 32,768 кГц или 19,2 МГц).

Функции MPU6050:

• трех осевой MEMS гироскоп с 16 битным АЦП;

• трех осевой MEMS акселерометр с 16 битным АЦП;

• Digital Motion Processor (DMP);

• slave I2C для подключения к микроконтроллеру;

• master I2C для подключения к микросхеме дополнительного датчика;

• регистры данных датчиков;

• FIFO;

• Прерывания;

• температурный сенсор;

• самопроверка гироскопа и акселерометра;

• регистр идентификации устройства.

Модуль GY-271 (рис. 2) на микросхеме HMC5883L - это трехосевой цифровой магниторезистивный компас (магнитометр на три координаты).

Кроме этого на плате модуля GY-271 размещены необходимые для надежного функционирования подтягивающие резисторы.

Микросхема HMC5883L работает по шине I²C. В качестве сенсоров используется три магниторезистивных датчика.

Рис. 2. Модуль GY-271

Рис. 3. Принципиальная схема модуля GY-521

Технические характеристики модуля GY-521 предоставлены в виде таблицы.

Таблица 1- Технические характеристики модуля GY-271

Микросхема	MPU-6050
Напряжение питания	от 3,3V до 5V (DC)
Акселерометр диапазона	± 2 ± 4 ± 8 ± 16g
Гироскоп диапазона	± 250 500 1000 2000 ° / с
Связь c контроллером	IIC (I2C)
Размеры модуля	15х20 мм
Вес модуля	5 грамм

Для подключения датчиков и компьютера применяется устройство интерфейса и в данной работе используется программируемый контроллер АrduinoUno.

ArduinoUno контроллер построен на ATmega328 (рис. 4). Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи.

В отличие от всех предыдущих плат, использовавших FTDI USB микроконтроллер для связи по USB, новый ArduinoUno использует микроконтроллер ATmega8U2.

Длина и ширина печатной платы АrduinoUno составляют 6.9 и 5.3 см соответственно. Разъем USB и силовой разъем выходят за границы данных размеров. Четыре отверстия в плате позволяют закрепить ее на поверхности. Расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 равняется 0,4 см, хотя между другими выводами оно составляет 0,25 см.

Рис. 4. Контроллер АrduinoUno

Характеристики Аrduino Uno:

Микроконтроллер ATmega328;

Рабочее напряжение 5 В;

Входное напряжение 7-12 В;

Входное напряжение 6-20 В;

Цифровые Входы/Выходы 14 ;

Аналоговые входы 6;

Постоянный ток через вход/выход 40 мА;

Постоянный ток для вывода 3.3 В 50 мА;

Флеш-память 32 Кб (ATmega328);

ОЗУ 2 Кб (ATmega328);

EEPROM 1 Кб (ATmega328);

Тактовая частота 16 МГц.

Передатчик MX-F01и приемник MX-RM-5V.

Технические характеристики передатчик MX-F01(рис. 5):

Напряжение питания: 3-12 В;

Ток потребления в режиме ожидания: 0 мА;

Ток потребления в режиме передачи: 20-28 мА;

Рабочая частота: 433.920 МГц;

Выходная мощность передатчика: 40 мВт;

Дальность передачи: до 500 м в зоне прямой видимости с дополнительной антенной длинной 17,5, 35 или 70 см;

Тип модуляции: амплитудная;

Температурный диапазон: –10…+70 °C;

Размеры: 19х19х8 мм.

Рис. 5. Передатчик MX-F01

Приемник (модель XY-MK-5V) представляет собой сверхгенератор, на выходе которого стоит компаратор, приемники такого типа являются очень простыми из-за малого количества деталей, обладают высокой чувствительностью и автоматической регулировкой усиления, однако есть и недостатки, из-за высокой чувствительности и широкой полосы пропускания, он ловит много помех, на выходе всегда присутствует шум. Плата приемника имеет четыре вывода: Vcc, Gnd – питание 5В, и выход в виде двух совмещенных выводов (data).

Технические характеристики приемника MX-RM-5V (рис. 6):

Напряжение питания 5 В;

Ток потребления 4 мА;

Рабочая частота 433.920 МГц (Есть на частоту 315 МГц);

Размеры 30х14х7 мм.

Рис. 6. Приемник MX-RM-5V

1. Структурная схема «маяка» спасателя

Структурная схема сигнализатора (рис.7) включает в свой состав: датчики движения (акселерометр и гироскоп MPU6050), которые реагируют на поступательное ивращательное движение; микроконтроллер Arduino; радиоканал с передатчиком МX-F01 иприемником MX-RM; микроконтроллер Arduino, через который сигнал с приемникапредается на компьютер. При отсутствии подвижности спасителей, больных людей по каким-либо причинамво времени 18-23 сек, сигнал сопровождается управлением светодиодов или нарастающим звуковым сигналом в программе LabVIEW [1].

Рис.7. Структурная схема «маяка» спасателя

Схема подключения датчиков движения к микроконтроллеру Arduino приведена на рис. 8. SCL подключить к аналоговому выходу 5 платы Arduino; SDA подключить к аналоговому выходу 4 платы Arduino; На VCC подать 3V; GND заземлить.

Рис. 8. Схема подключения GY521 к микроконтроллеру ArduinoUno:

1 – микроконтроллер ArduinoUno, 2 – модуль GY521.

Для управления передатчиком MX-F01 используется Arduino.

Алгоритм подключения передатчика MX-F01 к Arduino:

ATAD на MX-F01 подключаем к 12 дискретному выводу Arduino;

VCC на MX-F01 подключаем к +5V Arduino;

GND на MX-F01 подключаем к GND Arduino;

ANT на MX-F01 к антенне в виде куска провода длинной 17,5, 35 или 70 см.

Подключение приемника MX-RM-5V к Arduino:

Для управления приемником используется Arduino

DATA на MX-RM-5V подключаем к 12 дискретному выводу Arduino;

VCC на MX-RM-5Vподключаем к +5V Arduino;

GND на MX-RM-5V подключаем к GND Arduino;

ANT на MX-RM-5V к антенне в виде куска провода длинной 17,5, 35 или 70 см.

1. Разработка системы передачи информации на пост (компьютер) командира звена спасателей

Маяк спасателя МЧС - предназначен для охраны и спасения жизни пожарных при работе в условиях чрезвычайных ситуаций: при тушении пожаров в зданиях со сложной планировкой, а также при угрозе обрушения и воздействия внешних факторов пожара. Маяк закрепляется на ремне или лямке спасателя. Маяк содержит в себе гироскоп и акселерометр для определения пространственной ориентации, из которой можно определить движется или имеет вращение по какой-либо из осей гироскопа или акселерометра. В случае, когда движение/вращение отсутствует на протяжении 30 секунд, на МППС передается радиосигнал по радиоканалу. На МППС загорается сигнальная лампа о неподвижном состоянии человека. В качестве передатчика на устройстве используется передатчик MX-F0 и приемник MX-RM на МППС. Применяемый приемо-передатчик обеспечивает дальность передачи до 500 м в зонепрямой видимости с дополнительной антенной длинной 17,5; 35 или 70 см. Также маяк может передавать окружающую температуру, в области, где работает спасатель.

Блок схема маяка спасателя МЧС предоставлена на рис. 10.

Рис. 10. Блок схема маяка спасателя.

Сигнальное устройство спасателя (1) содержит устройство определения неподвижного состояния (Модуль GY-271), который соединён с блоком управления и питания (2), с передатчиком (3), а также подключен к сирене (4) и к устройству световой сигнализации (5).

1. Конструктивная проработка «маяка»

Разработка 3-D модели маяка спасателя МЧС проводилась в программе КОМПАС-3D V15.

Рис. 15.Маяк спасателя МЧС

На рисунке спроектирован маяк спасателя МЧС в КОМПАС-3D V15. Устройство состоит и двух основных частей 1-корпус, 2-крышка. Компоновка элементов происходит в детали корпус. Материал Полиамид ПА-6 блочный графитонаполненный ТУ 6-06-38-89. Данный материал имеет хорошую прочность, мало создает помех для радиосигнала, имеет относительно невысокую цену, прост в обработке и выполнении фрезерных и слесарных работ. Все компоненты расположены в детали корпус. Корпус (рис. 16) имеет паз, для обеспеченья IP67, крышка (рис. 17) ставится в паз на клей-герметик черный. Также на герметик ставятся светодиоды, сирена и клеится сетка полутомпаковая.

Рис. 16. Корпус

Рис. 17. Крышка

1. Механический анализ конструкции в T-flex-анализ

Для успешного решения физической задачи в конечно-элементной постановке необходимо корректно определить так называемые граничные условия. Этап задания граничных условий очень ответственный требующий хорошего понимания сути решаемой задачи.

Для задания закреплений в T-FLEX/Анализ предусмотрены две команды: «Полное закрепление» и «Частичное закрепление». Команда «Полное закрепление» применяется к вершинам, граням и ребрам модели и определяет, что данный элемент трехмерного тела полностью неподвижен, то есть сохраняет свое первоначальное расположение и не меняет положения под действием приложенных к системе нагрузок. Команда «Частичное закрепление» обладает более широкими возможностями. С помощью этой команды можно ограничить перемещение тела в определенных координатных направлениях или определить заданное положение элементов модели. Последнее свойство позволяет осуществить расчет напряженного состояния конструкции, для которой известна ее конечная деформация. В этом случае для осуществления расчета не обязательно даже наложение сил.

Для задания нагрузок в T-FLEX Анализ предусмотрен целый набор специализированных команд.

Нагрузка «Сила» позволяет задать сосредоточенную или распределенную силу, приложенную к вершине, ребру или грани модели.

В T-FLEX задаем материал рис.18.

Рис. 18. Выбор материала

После выбора материала изделия, выбираем грань, к которой применяем операцию полное закрепление. В нашем устройстве это будет задняя крышка, а сила направлена в переднюю грань с нагрузкой 100 Н (рис. 19).

Рис. 19.Статический анализ

Из анализа в T-FLEX видно, что при нагрузке 1000Н устройство деформируется незначительно. Это значит, что при такой нагрузке устройство будет работать корректно.

Заключение

В результате выполнения проекта был разработана система сигнализации спасателя МЧС. Разработана структурная схема и схема электрическая принципиальная, определены компоненты устройства, разработаны 3D модель «маяка» и чертежи элементов корпуса «маяка». В программе T-FLEX проведен механический анализ. Который показал, что выбор материала и конструкторская разработка были осуществлены верно. Также была проведена экспериментальная проверка макетного образца.

Литература

1. Статус / Оборудование для работы в чрезвычайных ситуациях / Сигнализатор неподвижного состояния – URL: http://sstatus.com.ua/ru/glavnaya/odejda_i_oborudovanie /signalizator_nepodvijnogo_sostojanija.html

2. 42 Bots Hobby robotics and electronics with Arduino and Raspberry Pi/ Arduino Uno and the InvenSense MPU6050 6DOF IMU/ – URL: http://42bots.com/tutorials/arduino-uno-and- the-invensense-mpu-6050-6dof-imu/

3. GeekElectronics / Блог о программировании, электронике и рыбалке / Arduino – передача данных по радиоканалу на частоте 433.920 МГц /– URL: http://geekelectronics.org/arduino/arduino-ndash-peredacha-dannyih-po-radiokanalu-na- chastote-433-920-mgts.html

4. Сайт паяльника / акселерометр и гироскоп / – URL: http://cxem.net/mc/mc324.php

5. Система сигнализации неподвижного состояния наблюдаемого. Выонг Суан Чьен. [электронный ресурс] - Режим доступа http://www.scienceforum.ru/2015/854/12148, свободный. – Загл. с экрана.

6. Питер Блюм. Стиль программирования. Справочное пособие. М издательство.

7. Fakir.name / программирование Arduino / – URL: http://fakir.name/podklyuchenie-arduino-k-labview/

17

Код для цитирования: Скопировать