IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В настоящее время мониторинг атмосферы является важной частью многих научных проектов. С развитием технологий, в частности технологии IoT («Интернет вещей»), появляются все новые средства решения прикладных задач. В качестве современного инструмента часто используется открытая программируемая аппаратная платформа Arduino, состоящую из печатной платы с микроконтроллером. Платформа отличается простотой в освоении и использовании. Устройства, собранные на базе Arduino имеют возможность с помощью разнообразных датчиков получать данные о параметрах атмосферы, охватывающих самые разные области изучения.Это, например, данные о температуре, влажности, давлении, количественном содержании и составе газов, а также различные физические параметры.

Основным достоинством платформы Arduino является возможность собрать устройство полностью персонализированным и отвечающим индивидуальным потребностям пользователя. Немаловажно, что кроме режима работы в непосредственной связи с компьютером, устройства на базе Arduino могут работать автономно, поддерживая связь через WiFi модули. Для удобства пользователя существует визуальная среда разработки Arduino IDE с интуитивно понятным интерфейсом. В Arduino IDE создаются так называемые скетчи — файлы с инструкциями для устройства, которые загружаются в аппаратную часть платы. Язык написания скетчей похож на язык С/С++ и подходит для использования даже начинающим пользователям. Еще одним преимуществом Arduino является возможность установки Arduino IDE на операционные системы Windows, Macintosh OSX и Linux.

Процесс мониторинга атмосферы часто подразумевает использование приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Одновременно в поле зрения приемника может находиться более десятка непрерывно перемещающихся спутников ГНСС. Получить данные с подобных приемников можно путем подключения к Arduino специального ГНСС-модуля, например, модуля uBlox NEO-8M. Этот модуль использует сигналы космических аппаратов, чтобы определить расстояние до каждого спутника на орбите, передающего навигационный радиосигнал.

Атмосфера является средой, которая оказывает большое влияние на проходящие через нее радиосигналы, особенно ее верхние слои — ионосфера. Одной из характеристик ионосферы является полное электронное содержание, то есть количество электронов в вертикальном столбе атмосферы единичного сечения с основанием у поверхности Земли и достигающий высоты верхней границы ионосферы. Радиосигнал проходит через верхние слои атмосферы и задерживается ионосферной плазмой, что создает временную задержку. Расчет временной задержки регистрации сигнала навигационных спутников позволяет судить о изменении полного электронного содержания ионосферы с периодами в несколько минут.

Многочисленные наземные и спутниковые наблюдения показали, что в периоды, предшествующие сильным сейсмическим событиям, регистрируются возмущения (возрастание или убывание) электронной концентрация верхних областей ионосферы над областью эпицентра. Использование платформы Arduino с подключенным к ней ГНСС‑модулем дает возможность определить время задержки сигнала, на основании которого происходит расчет полного электронного содержания ионосферы. Сравнив полученные значения с параметрами «спокойной» ионосферы можно делать выводы о предстоящей в ближайшие часы сейсмической обстановке.

В перспективе, пользуясь этим методом можно заблаговременно предупреждать о предстоящих землетрясениях, что в первую очередь поможет предотвратить большое количество человеческих жертв, а также сократит влияние разрушений, вызванных землетрясениями, на все сферы жизни.

Таким образом, благодаря технологии IoT и модульной структуре Arduino возможно создание устройств для широкого использования в разных отраслях экономики. Устройство для расчета полного электронного содержания ионосферы только один из множества вариантов использования платформы Arduino.

Список источников

1. Брюнелли Б.Е. Физика ионосферы. - М: Наука, 1988. - 526 с.

2. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. - Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. - 479 с.

3. Золотов О.В., Прохоров Б.Е., Намгаладзе А.А., Мартыненко О.В. Вариации полного электронного содержания ионосферы в период подготовки землетрясений // Химическая физика. - 2011. - Т.30, №5. - C.84-87.

Код для цитирования: Скопировать