русс | укр

Языки программирования

ПаскальСиАссемблерJavaMatlabPhpHtmlJavaScriptCSSC#DelphiТурбо Пролог

Компьютерные сетиСистемное программное обеспечениеИнформационные технологииПрограммирование

Все о программировании


Linux Unix Алгоритмические языки Аналоговые и гибридные вычислительные устройства Архитектура микроконтроллеров Введение в разработку распределенных информационных систем Введение в численные методы Дискретная математика Информационное обслуживание пользователей Информация и моделирование в управлении производством Компьютерная графика Математическое и компьютерное моделирование Моделирование Нейрокомпьютеры Проектирование программ диагностики компьютерных систем и сетей Проектирование системных программ Системы счисления Теория статистики Теория оптимизации Уроки AutoCAD 3D Уроки базы данных Access Уроки Orcad Цифровые автоматы Шпаргалки по компьютеру Шпаргалки по программированию Экспертные системы Элементы теории информации

Особенности современного этапа развития методов и средств измеренй

<== предыдущая статья |

В настоящее время интенсивно развивается направление, основанное на создании интеллектуальных сенсоров, распределенных сенсорных систем. Одним из примеров этого стали т.н. "интеллектуальные здания".


Рис. Интеллектуальное здание. Показана лишь часть его основных систем

 

Имеется много разных определений, что такое "интеллектуальное здание". С точки зрения сенсорики – это здание, снабженное продуманной, достаточно полной системой сенсоров, позволяющей всесторонне контролировать функциональное состояние здания и на этой основе разумно управлять функционированием всех его важнейших систем жизнеобеспечения.

В первую очередь, речь идет о сенсорах, контролирующих системы электроснабжения, газо- и водоснабжения, отопления, пожарной безопасности, освещения, микроклимата, санкционированного доступа в здание и в его отдельные части и т.п.

Интеллектуальные сенсоры могут при этом осуществлять учет расходов ресурсов каждым отдельным помещением и разумное управление локальными подсистемами. Они могут, например, автоматически отключить подачу электроэнергии в контролируемое помещение в случае короткого замыкания или превышения порога потребляемой мощности; немедленно перекрыть газовую магистраль, если в помещении обнаружилась утечка газа; перекрыть вентиль подачи воды в случае обнаружения протечки воды; включить подачу тепла, если температура в помещении упала ниже предписанного нижнего порога, или уменьшить подачу тепла, если температура превысила верхний порог; автоматически выключить освещение, если появился достаточно яркий дневной свет либо никого не осталось в помещении, или включить свет, как только там появился человек и освещенность недостаточна, и т.д. Разумное согласованное управление всей системой и интегральное управление функционированием всего здания осуществляет центральный компьютер.

Опыт показывает, что потребление энергоресурсов и затраты на них благодаря этому сокращаются на 20-30%. Грамотно спроектированное "интеллектуальное" здание в случаях аварийного отключения внешней энергосети или подачи воды по сигналам от соответствующих сенсоров автоматически задействует резервный электрогенератор, запасную схему водоснабжения, аварийное освещение и т.д. и предупредит пользователей здания об аварийной ситуации. Это практически сводит на нет возможность выхода из строя высокотехнологического оборудования, что также ведет к экономии средств. Такое оборудование может работать бесперебойно в течение многих лет. В "интеллектуальном" здании снижено влияние человеческого фактора. Это помогает избежать ошибок при эксплуатации, аварий, а также снизить затраты на содержание персонала.

Интеллектуальные здания уже широко используются крупными корпорациями, государственными и межгосударственными учреждениями, бизнес-центрами, высококлассными гостиницами и т.д.

Системы интеллектуальных сенсоров находят широкое применение в быту. Их назначение – не только оптимизировать энерго- и ресурсопотребление, обезопасить нашу жизнь, но и облегчить её, создать нам всё больше удобств и комфорта. Встроенные в кровать сенсоры проследят за положением нашего позвоночника, головы, ног во время сна, обеспечат возможность автоматической коррекции деформаций матраца, подушки, одеяла с целью обеспечения отропедически правильного положения. Сенсоры, встроенные в детскую кроватку, будут чутко и неусыпно "прислушиваться" к дыханию ребенка, улавливать его беспокойство и малейшие изменения температуры его тела, подавать родителям сигнал о необходимости его обслуживания. Сенсоры, встроенные в "интеллектуальное" кресло, помогут поддерживать его удобство при любых положениях нашего тела. Интеллектуальные сенсоры, контролирующие состав атмосферы в жилище, позаботятся о своевременном его проветривании, оповестят о появлении в воздухе опасных веществ. Видеодомофон позволит не только услышать, но и увидеть того, кто стоит на входе в жилище. Интеллектуальные сенсоры, установленные на улице, дадут Вам возможность видеть то, что делается в окрестностях Вашего дома, выдадут информацию для автоматической ориентации солнечных батарей точно в направлении солнца или ветроэлектрогенератора – в направлении ветра. Другие интеллектуальные сенсоры позволят, в зависимости от погоды и от Ваших указаний, автоматически управлять ставнями, жалюзи, поливом зеленых насаждений вокруг дома. Интеллектуальные сенсоры в аквариуме с Вашими любимыми рыбками даже в Ваше отсутствие обеспечат возможность автоматической подачи им в установленное время указанного количества корма, кислорода, включения/выключения освещения, пополнения чистой водой.


Рис. . Видеодомофон. Слева – камера на входе в жилище, справа – терминал с экраном в доме

Оборудованное такими системами сенсоров жилище принято называть "умным домом" (англ. Smart Home).

Рис. "Умный дом". Показана лишь часть его основных систем

 

Управлять "умным" домом можно при помощи сенсорной панели. Используя высвечиваемые на ней меню, Вы легкими касаниями к соответствующим "клавишам" сможете сами создавать сценарий вашего уюта и комфорта.

Разумно подобранные системы интеллектуальных сенсоров позволят повысить эффективность функционирования и комфортность не только жилищ людей, но всех других сложных устройств: установок, оборудования, производственных, медицинских, оздоровительных, развлекательных и спортивных комплексов и т.д. Системы интеллектуальных сенсоров являются основой для создания умных рoботов по уходу за детьми, инвалидами, домашними животными и растениями, для выполнения функций личного секретаря, повара, уборщика и т.п.

В качестве примера остановимся кратко на системе сенсоров, необходимых для реализации т.н. "интеллектуального транспорта". Речь идет не только об "интеллектуальных транспортных средствах", но и об "интеллектуальных дорогах", "интеллектуальных транспортных системах" в больших городах и регионах, "интеллектуальных системах доставки грузов".

Ещё в 1997 г. прессе был представлен экспериментальный автомобиль "CyCab", разработанный совместно компаниями EDF, RATP и Andruet S.A. (США). Благодаря компьютерной системе управления, он может управляться не только водителем с помощью джойстика, но и работать полностью автоматически в различных режимах.


Рис. . Интеллектуальный электромобиль "CyCab": 1 – видеокамера; 2 – ручка управления; 3 – сенсорный экран; 4 – интеллектуальный сенсор дистанции; 5 – сенсоры ИК связи; 6 – УЗ сенсоры для избегания столкновений; 7 – привод управления; 8 – по одному электромотору на каждое колесо; 9 – по одному электрическому тормозу на каждое колесо; 10 – 4 аккумуляторных батареи и система электропитания

 

"CyCab" – это двухместный электромобиль массой 300 кг и размерами в плане 1,9×1,2 м, имеющий по одному электромотору мощностью 1 кВт на каждое колесо, развивающий скорость до 30 км/час и обеспечивающий дальность пробега 40 км без подзарядки.

Кроме сенсоров, указанных на рис. в состав системы сенсоров входят датчики тока через каждый электромотор, крутящих моментов, моментов сил сопротивления, действующих на каждое колесо, скорости вращения. Могут использоваться также приемник сообщений о ситуациях на дорогах, сенсор координат GPS, навигатор, сенсоры давления в шинах и др.

В электромобиле реализованы две технологии управления: ручного и автоматического. В ручном режиме пассажир ведет автомобиль с помощью ручки управления 2 (джойстика) и сенсорного экрана. Джойстик соединен с компьютером, который непосредственно управляет движением, обеспечивая его безопасность. Например, он автоматически ограничивает скорость на поворотах и в других опасных местах. Для управления не требуется специальных навыков, электромобилем может пользоваться каждый. Через сенсорный экран можно узнать свое местоположение, скорость движения, пройденную дистанцию, еще возможную дальность пробега; можно установить автоматический режим работы электромобиля, связаться со службой поддержки и т.д. Также можно реализовать и другие режимы автономного движения (например, радиоуправление или движение по указателям). Этот электромобиль был разработан с учетом всех требований, которым должен удовлетворять общественный транспорт массового пользования: экономичность, небольшие размеры, надежность, простота управления и обслуживания.

Уже доказана возможность создания на основе этого автомобиля в ряде городов эффективной транспортной системы с целью уменьшить количество личных автомобилей. Множество таких электромобилей, своего рода такси без шофера, доступно всем пользователям с помощью электронной кредитной карты. Такое "такси" можно "взять" на стоянке или вызвать через Интернет. Тогда оно само подъедет к указанному клиентом месту. Когда клиент освобождает "такси", электромобиль сам отъезжает к ближайшему месту парковки и подзаряжает аккумуляторы. Такой вид транспорта удобен для пользования, создает мало шума, не загрязняет атмосферу, занимает мало места и экономичен.

В настоящее время ведутся разработки и других "интеллектуальных транспортных средств" – разнообразных автоматических систем управления автодорожными, воздушными, морскими, речными, рельсовыми транспортными средствами. Поставлена цель, чтобы они даже при воздействии случайных факторов (нештатные ситуации, отказы или сбои компонент) были способны функционировать столь же "разумно", как и опытный человек-оператор, и даже надежней. Возможность этого обеспечивается соответствующими системами интеллектуальных сенсоров.

Под "интеллектуальной дорогой" подразумевают транспортный путь (автодорогу, железнодорожный или трамвайный путь, улицу города, судоплавную реку, ...), оборудованный системой интеллектуальных сенсоров, которая позволяет собирать достаточно полную информацию о состоянии пути и его загруженности транспортом, информировать об этом водителей и службы пути и на этой основе оптимизировать движение, повышать его безопасность.

Наиболее известными интеллектуальными сенсорами этой системы являются автоматические видеокамеры с регистрацией и определением скорости движения. Как только такой интеллектуальный сенсор фиксирует превышение скорости, он передает соответствующую видеозапись в центральную диспетчерскую, и нарушителю высылается квитанция на оплату штрафа. Если нарушение совершено повторно, то принимаются и более строгие предусмотренные законом меры. Практика показала, что на оборудованных такими сенсорами дорогах число "лихачей" и фактов превышения скорости сокращается на порядок.

На основе видеокамеры созданы также интеллектуальные сенсоры, автоматически распознающие номера автомобилей, находящихся в поле зрения камеры. Такой сенсор фиксирует и сохраняет распознанный номер и время регистрации в базе данных вместе с изображением транспортного средства и кадром с номерным знаком. Формируется база всех транспортных средств, прошедших через зону контроля, с возможностью добавления текстового комментария к каждому распознанному номеру. Такой сенсор может также сравнивать номера автомобилей с перечнем номеров автомобилей, находящихся в розыске. В случае совпадения немедленно включается его видеосъемка и отсылается сообщение в соответствующие органы. Подобные сенсоры уже установлены, например, на въездах в центр Лондона. По зафиксированным сенсором номерам частных автомобилей в базе данных отыскивается адрес владельца. И ему автоматически высылается счет на оплату за въезд в центральную часть города.

Следующим является интеллектуальный сенсор для контроля характеристик транспортных потоков. Он подсчитывает число проезжающих автомобилей, измеряет их среднюю скорость, рассчитывает интенсивность движения на заданном участке. Может определять типы транспортных средств, составлять статистические данные за определенный период времени (час, сутки), автоматически фиксировать факты ДТП, автомобильных пробок, замедлений движения и т.д.

"Интеллектуальные транспортные системы" – это системы автоматического регулирования транспортного движения, которые используют данные системы описанных выше сенсоров транспортных потоков. Собирая информацию от многих таких сенсоров, они соответствующим образом оптимизируют работу светофоров, сообщают по радио рекомендации водителям о целесообразных в данный период времени маршрутах проезда, направляют регулировщиков в наиболее напряженные участки. На наиболее напряженных перекрестках устанавливают web-видеокамеры, которые непрерывно транслируют информацию о транспортной обстановке в Интернет. Водители получают возможность лично увидеть обстановку на соответствующем перекрестке и своевременно оптимизировать маршрут своего движения.

Накапливаемая в интеллектуальных транспортных системах статистика помогает объективно определить, куда в первую очередь надо вкладывать средства, выделяемые на совершенствование инфраструктуры дорог.

Наличие микрокомпьютера в составе интеллектуальных сенсоров и создание миниатюрных узлов беспроводного радиоинтерфейса типа Bluetooth, предоставляет возможность организации сложных беспроводных сенсорных сетей. Стремительное уменьшение размеров современных сенсоров вместе с их удешевлением и снижением энергопотребления приближает время прихода эпохи сенсорных сетей. Миниатюрные интеллектуальные сенсоры с возможностями такой связи можно разместить на контролируемой территории, и они сами наладят между собой связь, сформируют беспроводную сеть и станут передавать данные на заранее указанные пункты сбора информации. Объединенные в сеть сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды: влажность, давление, движение, освещенность, состав атмосферы (воды), температуру и т.д.


Рис. Один из современных элементов сенсорной сети

 

Мониторинг может осуществляться на очень большой территории, потому что сенсоры передают информацию "по цепочке" – от соседа к соседу. Технология позволяет им годами (даже десятилетиями) работать без смены батарей. Даже если какой-то сенсор выходит из строя, в сети тут же находятся другие пути передачи информации.

Тысячи дешевых сенсоров в поле, настроенные на контроль состава и увлажнения почвы, в зависимости от меняющихся условий будут автоматически регулировать искусственное орошение и внесение удобрений. Тысячи маленьких автономных сенсоров, разбросанных по всей территории биосферного заповедника, будут автоматически собирать и передавать информацию о всех важных событиях и изменениях, которые происходят на его границах и на всей территории. Они позволят значительно надежнее беречь, охранять уникальную флору и фауну. Тысячи сенсоров, разбросанных в верховьях рек, позволят своевременно узнавать об угрозе наводнений. Миллионы интеллектуальных сенсоров, свободно плавающих в океане, обеспечат мониторинг за процессами, происходящими на его огромных акваториях. Позволят своевременно обнаруживать зарождение штормов и цунами, изменения течений, подводные землетрясения, извержения подводных вулканов.

Некоторые футурологи считают, что сенсорные сети – именно тот элемент, который позволит Интернету выйти на следующий, качественно новый, этап своего развития. Ведь сенсорные сети могут быть подключены к Интернету, а каждый из миллиардов сенсоров может получить IP-адрес. Сотни миллиардов сенсоров, встроенных буквально во все предметы, от деревьев в парке до детских кроваток, смогут реагировать на окружающую среду и контактировать друг с другом беспроводным образом, решая много полезных задач. Это и неусыпный контроль за состоянием окружающей среды, наблюдение и уход за детьми, престарелыми, больными людьми, за животными, биологический и медицинский мониторинг, прогноз погоды, контроль вулканической и сейсмической активности. Это и сквозной мониторинг транспортных магистралей, нефте- и газопроводов, трасс электро- и теплоснабжения, решение антитеррористических задач и т.д.

Интеллектуальные сенсоры соединяют реальный материальный мир, в котором живут и действуют люди, функционируют автоматизированное оборудование и рoботы, с внутренним, ментальным "миром" людей, автоматов, рoботов. Для выживания и успешного функционирования разумных систем в далеко не всегда благоприятном и предсказуемом реальном мире интеллектуальные сенсоры должны быть надежным связующим звеном, в котором рождается адекватная, высококачественная информация.

Производство и выпуск интеллектуальных сенсоров – это новая перспективная, растущая отрасль промышленности, которая активизирует развитие всех других сфер человеческой деятельности, которая уже приносит и в скором времени принесет еще большую пользу людям.

В настоящее время уже просматриваются перспективы создания на основе интеллектуальных сенсоров новых искусственных органов чувств человека. Они не только смогут заменить некоторые естественные органы чувств, которые по каким-то причинам у человека не функционируют, но и предоставят людям возможность непосредственно ощущать то, что природой не было предусмотрено. Сигнальный выход таких интеллектуальных сенсоров будет или непосредственно связан с нервными окончаниями или, например, с тактильными сенсорами человека. Благодаря "вживлению", скажем, миниатюрного интеллектуального сенсора радиации, человек получит возможность непосредственно ощущать ионизирующую радиацию, начиная даже от незначительных доз. Одетый на пальцы искусственный "орган ощущения радиации" поможет легко найти источник радиации. После "вживления" миниатюрного газового сенсора обладатель этого дополнительного "органа обоняния" будет ощущать присутствие химических соединений, которые для обычного человека не имеют запаха. Например, на ряде опасных химических производств персоналу чрезвычайно важно иметь сенсоры, непосредственно сигнализирующие ему об опасных химических агентах: угарном газе, фосфорорганических пестицидах, ядах. Человек, которому это требуется по роду профессии, сможет слышать инфразвуки или ультразвуки определенных диапазонов, например, ультразвуки, издаваемые дельфинами, и т.д.

Благодаря развитию сенсорики люди смогут в необходимых случаях обрести "внутреннее зрение". Дело в том, что на уровне сознания мы почти не ощущаем свои внутренние биохимические процессы. Имеющаяся у нас сигнальная система информирует нас о возникших нарушениях метаболизма только посредством болевых ощущений. Ощущения эти возникают, к сожалению, только после значительных и уже необратимых изменений. Вживленные в организм сенсоры смогут успешно определять содержание важных биохимических соединений (глюкозы, мочевины, холестерина и т.д.) и позволят нуждающемуся в этом человеку проводить мониторинг своего внутреннего метаболического состояния на уровне сознательного индивидуального постоянного контроля. Гипертоники, не ощущающие повышение своего давления, смогут явственно воспринимать его изменения. Людям, страдающим неизлечимым алкоголизмом, могут быть "вживлены" сенсоры, дающие болевые ощущения или тошноту от одного запаха спиртного, не говоря уже о его проникновении в организм.

Применение новейших микросистемных и нанотехнологий может со временем сделать возможным создание интеллектуальных медицинских "микророботов". Имея микронные размеры, они после введения в организм человека смогут двигаться там по слизистым оболочкам, кровеносным или лимфатическим сосудам, выполняя филигранные медицинские функции. Это станет началом будущей "наномедицины" – новых методов исследования, лечения и контроля биологических систем человека на микроуровне. Прогнозируется, например, создание:

  • искусственных фагоцитов, которые смогут быстро обнаруживать в крови человека болезнетворные частицы или токсины и будут обезвреживать их;
  • "респироцитов", которые, подобно естественным эритроцитам, в легких будут аккумулировать значительные запасы кислорода и адресно доставлять его с потоком крови к органам и клеткам, особенно в этом нуждающимся;
  • глюкороботов, которые будут контролировать уровень глюкозы в крови и, в случае необходимости, выделять нужные дозы имеющегося у них в запасе инсулина;
  • транспортных микророботов, которые будут доставлять требуемые дозы лекарства в заданное врачом время к определенным больным участкам и клеткам тела, и т.д.

Постепенная реализация этой программы уже началась. Например, американское ведомство по контролю за продуктами питания и лекарствами уже выдало разрешение на применение в медицинской практике миниатюрной видеокамеры, заключённой в пилюле длиной 25 мм.


Рис. Исследовательская пилюля со встроенной видеокамерой

 

Пациент глотает пилюлю, после чего она начинает своё естественное продвижение по пищеварительному тракту. А камера ведет цветную съёмку крупным планом состояния слизистой оболочки. Пациент занимается своими обычными делами, а изображения слизистой оболочки его желудка и кишечника через миниатюрный радиопередатчик дважды в секунду поступают на маленький приёмник на поясе или в сумке. Клинические испытания показали, что для диагностики воспалений, язв, эрозий, полипов и прочих аномалий слизистой желудка и кишечника, пилюля вдвое эффективнее, чем традиционная эндоскопия. Кроме того, обычный эндоскоп не имеет возможности обследовать тонкий кишечник, имеющий в длину около 7 м. А пилюля позволяет. По завершении обследования, которое длится от 8 до 72 часов, приёмник сдаётся врачу, и тот переписывает из него накопленную информацию в свой компьютер. Видеокамера извлекается из вышедшей со стулом пилюли, помещается в новую оболочку и снова готова к применению.

Дальнейшим развитием стала контролируемая по радио капсула, которая имеет шесть ножек с крошечными крючочками на окончании. Они предотвращают скольжение по слизистой оболочке во время движения, но они слишком маленькие, чтобы повредить мягкие ткани. Этих "зацепов" вполне достаточно, чтобы все устройство не проталкивалось дальше под действием мускульных пульсаций. Благодаря этому, врач может остановить капсулу для более детального изучения интересующего его участка.

Европейскими учеными уже разработан действующий макет пилюли-робота, который помогает, путешествуя по желудочно-кишечному тракту, выискивать места, подозрительные на рак. Продвигаясь по желудочно-кишечному тракту, "пилюля" передает цветное изображение внутренних слизистых оболочек на монитор врача. Замечая место, подозрительное на рак, врач посылает радиосигнал "пилюле", которая останавливается и производит анализ отраженного от этого места света.


Рис. Схема действий пилюли-робота для диагностики кишечника

 

Известно, что в местах роста раковых клеток формируется более густая сеть кровеносных сосудов и в силу этого увеличиваются локальное кровенаполнение и локальная концентрация гемоглобина в ткани. Такие изменения и можно увидеть в отраженном свете соответствующей длины волны.

Уэл Бэдоуи (Wael Badawy) из университета Калгари (University of Calgary) уже изготовил "интеллектуальную пилюлю" (Intelligent Pill, сокращённо — iPill), в составе которой имеются датчики, контролирующие температуру и кислотно-щелочной баланс среды, в которой они находятся, микроконтроллер, микронасос, а также лекарство в объёме 1 мл. Пилюля программируется так, чтобы выпускать лекарства через заданные интервалы времени или при заданных обстоятельствах. Для этого микроконтроллер активирует микронасос, выталкивающий требуемую дозу лекарства. Запасенной энергии пилюле пока хватает примерно на четыре часа.

У микрохирургов, выполняющих операции на головном мозге, в глазах, в ушной раковине, на микрососудах или на нервных узлах, – везде, где важна исключительная точность и безопасность, – уже вскоре появятся т.н. "цифровые скальпели" (data knives). На их лезвии будут находиться миниатюрные сенсоры давления и микросенсоры, сигнализирующие хирургу о том, что вблизи лезвия находится кровеносный сосуд или ответственный нервный узел.

Просмотров: 351

<== предыдущая статья |

Это будем вам полезно:

Пневматический метод измерения уровня жидких сред

Максимальная частота кадров высокоскоростной камеры Fastvideo-500M в зависимости от разрешения

Оптоэлектронные датчики давления

Титрометрический метод химического анализа

Примеры фотоплетизмографов

Датчики давления газа малогабаритные, высокотемпературные с гибким выводом.

Газочувствительные потенциометрические сенсоры

Интеллектуальные преобразователи виброизмерительные

Трековые или следовые детекторы позволяют наблюдать визуально следы (треки) проходящих частиц

Интеллектуальные средства регистрации положения объектов в пространстве

Вибрационные расходомеры

Хроноамперометрические сенсоры

Пьезорезонансные датчики температуры

Ионизационные камеры

Ультразвуковые расходомеры

Вернуться в оглавление:Методы и средства измерений неэлектрических величин




Карта сайта Карта сайта укр


Уроки php mysql Программирование

Онлайн система счисления Калькулятор онлайн обычный Инженерный калькулятор онлайн Замена русских букв на английские для вебмастеров Замена русских букв на английские

Аппаратное и программное обеспечение Графика и компьютерная сфера Интегрированная геоинформационная система Интернет Компьютер Комплектующие компьютера Лекции Методы и средства измерений неэлектрических величин Обслуживание компьютерных и периферийных устройств Операционные системы Параллельное программирование Проектирование электронных средств Периферийные устройства Полезные ресурсы для программистов Программы для программистов Статьи для программистов Cтруктура и организация данных


 


Полезен материал? Поделись:

Не нашли то, что искали? Google вам в помощь!

 
 

© life-prog.ru При использовании материалов прямая ссылка на сайт обязательна.