Устройство контроля параметров микроклимата индивидуальной рабочей зоны для работников категории IA
Ершова Наталья Юрьевна
Аннотация
В статье описывается создание автоматизированного на базе микроконтроллера устройства для обеспечения комфортных условий труда в офисных помещениях работникам категории Ia. Проектирование аппаратного и программного обеспечения выполнялось параллельно. Датчики устройства измеряют температуру, влажность, освещенность, коэффициент пульсации* освещенности, уровень шума и СО2. Программное обеспечение микроконтроллера обрабатывает входные значения с датчиков, анализирует, информирует о текущем микроклимате и сигнализирует при выходе показаний датчиков за оптимальные согласно требованиям СанПиНа.
Ключевые слова: этапы проектирования, микроконтроллер, аппаратное обеспечение, программное обеспечение, микроклимат, датчики, система автоматизированного проектирования, принципиальная электрическая схема
MICROCLIMATE PARAMETERS MONITORING DEVICE FOR INDIVIDUAL WORKING AREAS OF CATEGORY IA EMPLOYEES
Abstract
The article presents the stages of creating a microcontroller-based automated device designed to monitor the current parameters of working space microclimate to ensure comfortable working conditions for category Ia employees. The design of both the hardware and software components was carried out simultaneously. The sensors of the developed device measure such parameters as temperature, humidity, illumination, illumination ripple factor, noise level, and carbon dioxide level. The embedded microcontroller software processes the input values from the sensors, analyzes them, provides real-time information on the current microclimate, and alerts users when the sensor readings exceed the optimal limits according to the requirements of Sanitary Rules and Norms.
Keywords: design stages, microcontroller, hardware, software, microclimate, sensors, computer-aided design system, circuit diagram
«Здоровье и работоспособность человека в значительной степени определяются условиями микроклимата и воздушной среды в производственных зданиях и помещениях», - отмечается на сайте Управления Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Республике Карелия-. Поскольку человеческий ресурс является самым главным в экономике страны, проведем прикладное исследование для реализации конкретной практической цели - обеспечения комфортных условий труда работника, изучив достижения фундаментальных исследований в этой области [Мансуров: 14], [Митрофанова: 253-258], [Килиба: 158-161], [Дементьева: 984-988].
Известно, что оптимальные параметры микроклимата (температура, относительная влажность и т. п.), обеспечивающие нормальное тепловое состояние и минимальное напряжение, способствуют хорошей производительности труда. Действующие нормы микроклимата рабочих мест представлены в Санитарных правилах и нормах (СанПиН)2.
Анализ литературных источников позволил определить полный перечень параметров, влияющих не только на физическое самочувствие, но и непосредственно на психику работника. Так, например, установлено, что свет воздействует через нервную оптиковегетативную систему на эндокринную систему, систему формирования иммунной защиты, влияет на многие основные процессы жизнедеятельности, регулируя обмен веществ и устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды [Кудряшов: 1]. Пульсации светового потока частотой от 25-30 Гц до 300 Гц детектируются зрительными рецепторами глаза (чувствительными к свету клетками сетчатки), но не воспринимаются мозгом как визуальная информация, что влияет на другие участки головного мозга, которые не связаны с обработкой изображения. Длительное воздействие таких пульсаций может привести к хроническим заболеваниям, а также к заболеваниям, не связанным напрямую с аппаратом зрения человека [Менумеров: 149-152]. Превышение уровня СО2 и шумовое загрязнение приводит к таким симптомам, как головная боль, усталость, слабость, повышенная утомляемость [Минаева: 56-58], снижение производительности труда и физическим и нервным заболеваниям [Губернский: 37-41], т. е. в целом снижает качество условий работы сотрудника.
Таким образом, под микроклиматом в работе подразумевается анализ следующих показателей:
1) температура воздуха;
2) относительная влажность воздуха;
3) освещенность рабочих поверхностей;
4) коэффициент пульсаций;
5) уровень СО2;
6) уровень шума в рабочем помещении.
Целью прикладного исследования являлось создание устройства индивидуального контроля офисного микроклимата работника категории!а на базе встроенного микроконтроллера и системы датчиков.
Для достижения поставленной цели будем использовать функциональный подход к построению цифровых систем, последовательно решая следующие задачи - последовательные этапы теоретической и экспериментальной работы, выполнение которых позволит достичь цели исследования:
1) сформировать требования и разработать концепцию цифрового устройства,
2) разработать структуру и архитектуру устройства,
3) спроектировать и изготовить аппаратные средства и программное обеспечение системы,
4) провести отладку программно-аппаратной части, приемосдаточные испытания и ввод устройства в эксплуатацию.
Разрабатываемое устройство является индивидуальным и узкоспециализированным и отвечает требованиям поставленной точности. Устройство производит контроль параметров путем считывания значений с датчиков, установленных в корпусе. Оптимальные значения измеряемых параметров представлены в таблице 1.
Для датчиков температуры и влажности выбран цифровой датчик, объединяющий в себе термистор и емкостной датчик влажности - DHT11, измерение освещенности и коэффициента пульсаций производится аналоговым фототранзистором TEMT6000, звука - аналоговым датчиком типа «микрофон» KY-037, а уровень углекислого газа - цифровым химическим датчиком MQ-135. Обоснованием выбора этих датчиков являются диапазон значений и точность датчика, ценовой сегмент, а также время разогрева датчика (там, где оно есть). В качестве контроллера выбран Arduino UNO - доступный и простой в использовании вариант для создания проектов, позволяющий модифицировать устройство под расширение функционала.
Таблица 1
Оптимальные значения измеряемых величин3
|
№ |
Показатель |
Единица измерения |
Минимальный оптимальный показатель |
Максимальный оптимальный показатель |
|
|
1 |
Температура |
°С |
21 |
25 |
|
|
2 |
Влажность |
% |
15 |
75 |
|
|
3 |
Освещенность |
Лк |
200 |
400 |
|
|
4 |
Коэффициент пульсаций освещенности |
% |
0 |
15 |
|
|
5 |
Уровень шума |
дБ |
0 |
80 |
|
|
6 |
Углекислый газ |
PPm |
380 |
1000 |
Принципиальную электрическую схему устройства разрабатывали в системе автоматизированного проектирования (САПР) KiCad, печатную плату - в Sprint Layout. Среди преимуществ этих САПР можно выделить наличие бесплатной и открытой лицензии, обучающих материалов и форумов в свободном доступе. Для моделирования дизайна устройства выбрана программа SketchUp, отличающаяся простотой интерфейса и доступностью.
В САПР KiCad была разработана принципиальная электрическая схема устройства, по которой в среде Sprint Layout разведена печатная плата (рисунок 1).
После трассировки печатной платы методом изготовления ЛУТ (лазерно-утюжная технология) выполняется пайка и далее монтаж платы в корпус (рисунок 2).
Рис.1. Разведенная в Sprint Layout печатная плата
Рис. 2. Конечный вариант панки: припаяны шлейфы, элементы и перемычки
На этапе отладки было выявлено, что датчик VT900 не соответствовал требованиям скорости измерений. В результате фоторезистор был заменен на подходящий датчик освещенности TEMPT-6000. Также возникла проблема с датчиком звука - выяснилось, что датчиком можно регистрировать изменения, но не уровень шума, что сделало датчик непригодным для измерений. Как результат - было решено отказаться от его использования.
В качестве датчиков-эталонов, по которым были откалиброваны датчики в устройстве, использованы детектор углекислого газа ДаДжет и люксметр RGK LM-20.
Для питания устройства выбран USB 2.0 тип B на плате Arduino. Питание можно подключить к разъему USB или к стандартному питанию 220 В. Такой выбор обоснован тем, что датчик уровня CO2 имеет высокий показатель потребляемого тока, что создало бы проблему при необходимости автономного питания. Так как прибор измеряет показатели внутри помещений, стандартное питание от розетки является доступным решением.
Диаграмма состояний устройства индивидуального контроля микроклимата и ее описание приведены в таблицах 2-5 соответственно.
автоматизированный микроконтроллер комфортный микроклимат
Таблица 2 Описание состояний устройства
|
№ |
Состояние |
Описание |
|
|
1 |
«Выключен экран» |
Состояние, при котором экран устройства гаснет. Переход из состояния 1 и состояние 2 возможен в двух случаях: при нажатии на кнопку пользователем, либо при триггере «Случилась тревога». |
|
|
2 |
«Включен экран» |
Состояние, при котором экран устройства загорается и показывает измеряемые величины. В зависимости от текущего номера экрана, а также нажатия кнопок «Влево» и «Вправо», экран будет показывать либо несколько величин (3 шт.) одновременно, либо какую-то одну конкретно (подробное содержание экранов см. табл. 4). При нажатии на кнопку включения/выключения может перейти в состояние № 1. |
Таблица 3 Описание триггер-события
|
№ |
Триггер- событие |
Описание |
|
|
1 |
«Случилась тревога» |
Событие означает, что в данный момент датчики показывают, что хотя бы одна из измеряемых величин вышла за пределы оптимальных значений. Это событие приводит экран из состояния «Выключен экран» во «Включен экран» Состояние тревоги определяется через введенный параметр Д. Оно будет показывать допустимый разброс между измерением i и i-1 (текущим и предыдущим). В разных случаях он будет разный; но в случае, когда значение оказывается больше Д, это означает, что мы вышли за оптимальные значения. |
Таблица 4 Описание кнопок устройства индивидуального контроля микроклимата
|
№ |
Название кнопки |
Описание/назначение |
|
|
1 |
«Кнопка включения/выключения» |
Отвечает за переход из состояния 1 - «Выключен экран» в состояние 2 - «Включен экран», а также наоборот - из состояния № 2 в состояние № 1. При включении, выключении замыкается ключ (?) |
|
|
2 |
«Кнопка влево» |
Отвечает за переход по панели экранов (всего экранов 8). Переход осуществляется в сторону +1 от состояния текущего экрана. Панели экранов зациклены |
|
|
3 |
«Кнопка право» |
Отвечает за переход по панели экранов (всего экранов 8). Переход осуществляется в сторону -1 от состояния текущего экрана. Панели экранов зациклены |
Таблица 5 Описание экранов устройства индивидуального контроля микроклимата
|
№ |
Название экрана |
Описание/назначение |
|
|
1 |
Быстро меняющиеся параметры |
Измеряет такие параметры, как освещенность, коэффициент пульсации и уровень шума. На экране отображаются: символьное обозначение измеряемой величины, значение величины, единицы измерения, в которых она измеряется |
|
|
2 |
Медленно меняющиеся параметры |
Измеряет такие параметры, как температура, влажность и СО 2. На экране отображаются: 1) символьное обозначение измеряемой величины, 2) значение величины, единицы измерения, в которых она измеряется |
|
|
3 |
Освещенность |
Выводит на экране только значение температуры/влажности/освещенности/коэффициента пульсации/СО2/уровня шума. |
|
|
4 |
Коэффициент |
||
|
пульсации освещенности |
Данные о параметре: 1) название параметра; |
||
|
5 |
Уровень шума |
2) значение параметра; |
|
|
6 |
Температура |
3) единица измерения параметра; 4) индикатор оценки значения (стрелка, градиентно увеличивающаяся от стороны |
|
|
7 |
Влажность |
отклонения от оптимального значения к оптимальному значению; заметная зеленая точка посередине); |
|
|
8 |
СО2 |
5) значение mute (если параметр поставлен на игнорирование). |
В основной программе (модуль main) производится подключение публично доступных библиотечных модулей, таких как:
* DHT.h (взаимодействие с датчиком DHT11 для получения данных о температуре и влажности);
* TFT.h (взаимодействие с TFT-экраном);
* Adafruit_Sensor.h (вспомогательная библиотека для обеспечения взаимодействия с экраном);
* SPI.h (передача информации по интерфейсу SPI для взаимодействия с дисплеем). Доработана публично доступная библиотека;
* MQ135.h (взаимодействие с датчиком MQ135): добавлена фильтрация данных методом усреднения.
Самостоятельно разработаны следующие модули:
* Sensor.h (взаимодействие с датчиками, интерпретация и первичная обработка данных, получаемых с датчиков). Представляет собой реализацию идеи единой программной обертки для физически разных датчиков, дающую возможность работать со всеми используемыми датчиками единообразно;