Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування
Рассматриваются основные особенности и проблемы проектирования интеллектуальных сенсоров и сенсорных систем на базе современных информационных технологий.
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2008
|
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/6509 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування / В.О. Романов, В.М. Груша, Д.М. Артеменко, О.В. Скрипник, Н.М. Вільк // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2008. — № 7. — С. 146-152. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-6509 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-65092010-03-05T12:01:37Z Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування Романов, В.О. Груша, В.М. Артеменко, Д.М. Скрипник, О.В. Вільк, Н.М. Рассматриваются основные особенности и проблемы проектирования интеллектуальных сенсоров и сенсорных систем на базе современных информационных технологий. Розглядаються основні особливості та проблеми проектування інтелектуальних сенсорів та сенсорних систем на базі сучасних інформаційних технологій. Main features and issues of smart sensors and smart sensor systems development based on modern IT are considered. 2008 Article Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування / В.О. Романов, В.М. Груша, Д.М. Артеменко, О.В. Скрипник, Н.М. Вільк // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2008. — № 7. — С. 146-152. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1817-9908 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/6509 681.3 uk Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Рассматриваются основные особенности и проблемы проектирования интеллектуальных сенсоров и сенсорных систем на базе современных информационных технологий. |
| format |
Article |
| author |
Романов, В.О. Груша, В.М. Артеменко, Д.М. Скрипник, О.В. Вільк, Н.М. |
| spellingShingle |
Романов, В.О. Груша, В.М. Артеменко, Д.М. Скрипник, О.В. Вільк, Н.М. Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування |
| author_facet |
Романов, В.О. Груша, В.М. Артеменко, Д.М. Скрипник, О.В. Вільк, Н.М. |
| author_sort |
Романов, В.О. |
| title |
Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування |
| title_short |
Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування |
| title_full |
Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування |
| title_fullStr |
Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування |
| title_full_unstemmed |
Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування |
| title_sort |
інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/6509 |
| citation_txt |
Інтелектуальні сенсори: особливості та проблеми проектування / В.О. Романов, В.М. Груша, Д.М. Артеменко, О.В. Скрипник, Н.М. Вільк // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2008. — № 7. — С. 146-152. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT romanovvo íntelektualʹnísensoriosoblivostítaproblemiproektuvannâ AT grušavm íntelektualʹnísensoriosoblivostítaproblemiproektuvannâ AT artemenkodm íntelektualʹnísensoriosoblivostítaproblemiproektuvannâ AT skripnikov íntelektualʹnísensoriosoblivostítaproblemiproektuvannâ AT vílʹknm íntelektualʹnísensoriosoblivostítaproblemiproektuvannâ |
| first_indexed |
2025-07-02T09:25:45Z |
| last_indexed |
2025-07-02T09:25:45Z |
| _version_ |
1836526701135265792 |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 146
V. Romanov, V. Hrusha,
D. Artemenko, O. Skrypnyk, N. Vilk
SMART SENSORS:
FEATURES AND ISSUES
OF DEVELOPMENT
Main features and issues of smart
sensors and smart sensor systems
development based on modern IT are
considered
Рассматриваются основные осо-
бенности и проблемы проектиро-
вания интеллектуальных сенсоров
и сенсорных систем на базе со-
временных информационных тех-
нологий.
Розглядаються основні особливо-
сті та проблеми проектування
інтелектуальних сенсорів та сен-
сорних систем на базі сучасних
інформаційних технологій.
В.О. Романов, В.М. Груша,
Д.М. Артеменко,
О.В. Скрипник, Н.М. Вільк,
2008
УДК 681.3
В.О. РОМАНОВ, В.М. ГРУША, Д.М. АРТЕМЕНКО,
О.В. СКРИПНИК, Н.М. ВІЛЬК
ІНТЕЛЕКТУАЛЬНІ СЕНСОРИ:
ОСОБЛИВОСТІ ТА ПРОБЛЕМИ
ПРОЕКТУВАННЯ
Сучасні напрямки досліджень у галузі сен-
сорики. За останні десятиліття з’явилася ве-
лика кількість сенсорів різного призначення.
Розвиток мікропроцесорної техніки вніс свій
вклад і в розвиток сенсорних технологій.
Якщо раніше отримані сенсорні дані доводи-
лось обробляти мало не вручну, то в тепері-
шній час вся обробка може бути здійснена
мікропроцесорним блоком приєднаним до
сенсорного елемента. Такі пристрої почали
називати інтелектуальними сенсорами (Smart
Sensors) [1, 2]. Хоча дане визначення на сьо-
годні не є точним. У даний час до інтелекту-
альних сенсорів ставиться ряд додаткових
вимог. Зокрема, крім чутливого елемента,
вони повинні володіти засобами обробки си-
гналу, комунікаційними можливостями (ка-
бельним або бездротовим зв’язком), автоно-
мним живленням, інтерфейсом користувача,
захистом від впливу зовнішнього середови-
ща, мати можливість ідентифікувати місце
знімання даних тощо. Більш того, почали
з’являтися інтелектуальні сенсори, інтегро-
вані на одному кристалі, та цілі інтелектуа-
льні лабораторії на кристалі (lab-on-chip) [3].
З метою побудови нових, доступних спожи-
вачу сенсорних систем дослідники працю-
ють над:
- зменшенням вартості, розмірів і спожи-
вання сенсорів, покращенням характеристик
сенсора (чутливість, точність тощо);
- забезпеченням комунікації (уніфікація
зв’язку через шини інтерфейсів, безпроводо-
вий зв’язок);
ІНТЕЛЕКТУАЛЬНІ СЕНСОРИ: ОСОБЛИВОСТІ ТА ПРОБЛЕМИ ПРОЕКТУВАННЯ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 147
- підвищенням рівня інтеграції;
- уніфікацією виготовлення та експлуатації через застосування стандартів
(наприклад, IEEE 1451).
Результатом останніх досліджень стала поява таких сенсорних систем як [1]:
штучний ніс (nose-on-chip), штучний язик (electronic tongue), газові аналізатори
складних сумішей, безлінзові мікроскопи, монолітні слухові апарати, масспект-
рометри, рухомі динамічні сенсори, віскометри на кристалі, хімічні лабораторії
на кристалі, ДНК аналізатори на кристалі, ID верифікатори на кристалі та т. п.
Уніфікація сенсорних технологій. Інститут інженерів з електротехніки та
радіоелектроніки (The Institute of Electrical and Electronics Engineers − ІEEE) роз-
робив комплексний стандарт IEEE 1451 [4]. Одна з його цілей полягає у спро-
щенні підключення сенсорів до вимірювальних каналів, засобів обробки та
комп’ютерних мереж. Дана мета досягається шляхом визначення набору інтер-
фейсів і структури програмного забезпечення. Запропоновано нову структуру
інтелектуальної сенсорної системи (Smart Sensors System) на базі використання
двох типів модулів NCAP (Network Capable Processor) та TIM (Transducer
Interface Module).
Перспективною є версія стандарту IEEE 1451.4, мета якої − забезпечення
можливості автоматичної настройки (plug&play) для звичайних аналогових пе-
ретворювачів (сенсорів). Стандарт IEEE 1451.4 визначає метод табличного опи-
су сенсора (TEDS − Transducer Electronic Data Sheets). Даний опис включає ін-
формацію для великої кількості типів сенсорів та їх застосувань (рис. 1).
а б
РИС. 1. Приклади структури TEDS: a базова частина табличних описів TEDS;
б базова частина табличних описів TEDS із таблицею калібрування сенсорів
Таблиці TEDS можна використовувати одним із двох шляхів. По-перше,
TEDS можна розмістити у вбудованій пам’яті, зазвичай, EEPROM. По-друге її
В.О. РОМАНОВ, В.М. ГРУША, Д.М. АРТЕМЕНКО, О.В. СКРИПНИК, Н.М. ВІЛЬК
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 148
можна завантажити з мережі Інтернет у вигляді окремого файла (Virtual TEDS).
Останнє забезпечує можливість роботи із застарілими сенсорами, які не мають
вбудованої пам’яті. Схема використання TEDS показана на рис. 2.
РИС. 2. Схема використання TEDS в інтелектуальних сенсорах та сенсорних системах
Крім розглянутих стандартів, розроблених інститутом IEEE, запропоновано
мову опису перетворювачів Transducer Markup Language (TML) [5], яка ство-
рена відкритим геопросторовим консорціумом (Open Geospatial Consortium).
Мова TML структуровані дані у вигляді XML (базованої специфікації), приз-
наченої для використання процесором, що обробляє дані від сенсора. Мета мови
надання процесору можливості обробки сенсорних даних без будь-якої додат-
кової інформації зовні.
Безпроводовий зв’язок. Поява безпроводових технологій, таких як Wi-Fi,
Bluetooth, GPRS, ZigBee та інших, надала зручні засоби для побудови безпрово-
дових сенсорних мереж. При розробці систем на базі даних технологій розроб-
ник має враховувати вимоги щодо зв’язку конкретної проектованої ним системи,
зокрема: розмір мережі, безпеку та швидкість передачі даних, ціну обладнання
та затрати на його встановлення і обслуговування, споживання, формати даних,
що будуть передаватися тощо [6, 7].
Так, наприклад, стандарти GSM/ GPRS дозволяють одержувати дані практи-
чно з будь-якої місцевості в межах покриття мережі GSM з високими рівнем
безпеки та швидкістю ( до 171 кбіт/сек або до 473 кбіт/сек за новими можли-
востями стандарту EDGE). На рис. 3 показана вимірювальна система на базі
GPRS-модема. Недоліками такої системи є необхідність оплати за передачу
даних, велике споживання струму в активному режимі, необхідність наявності
покриття GSM-мережею.
РИС. 3. Збір даних у біосенсорних системах за допомогою GPRS-модема
Сенсор Блок обробки
TEDS
Оброблені
дані
Сенсорний
прилад
GPRS
модем
G
P
R
S
-м
ер
еж
а
М
ер
еж
а-
Ін
те
р
н
ет
ПК
ІНТЕЛЕКТУАЛЬНІ СЕНСОРИ: ОСОБЛИВОСТІ ТА ПРОБЛЕМИ ПРОЕКТУВАННЯ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 149
Використання інформаційних технологій у створенні сенсорів і сенсор-
них систем. Поділ науки на дисципліни зіграв важливу роль в історичному роз-
витку науки, групуючи вчених за певними сферами інтересів і даючи їм можли-
вість працювати і розвиватися за певними напрямками, здійснюючи нові відк-
риття й винаходи та сприяючи накопиченню знань людства про навколишній
світ. На даний час існує понад 15 тисяч дисциплін. Відповідно, склалася ситуа-
ція, коли для проведення певних досліджень або створення нового продукту не-
обхідні знання з кількох дисциплін. До таких наукоємних продуктів належать і
сучасні інтелектуальні сенсори та сенсорні системи на їх основі. Розв’язати цю
проблему можна утворенням нових дисциплін на базі кількох як, наприклад,
сталося з біосенсорикою, або кооперацією фахівців для виконання міждисциплі-
нарного проекту. Перший спосіб прийнятний при проведенні тривалих дослі-
джень і явної перспективності даного напрямку. Для короткострокових не дуже
коштовних проектів більш прийнятний другий спосіб. Для ефективної взаємодії
між фахівцями застосовують сучасні досягнення інформаційних технологій (ІТ).
Так, для проведення міждисциплінарних досліджень доволі корисними стають
віртуальні лабораторії, які орієнтовані на роботу з територіально розподіленими
користувачами [8]. Віртуальні лабораторії, крім того, дозволяють фахівцям про-
водити спільні дослідження за рахунок надання віддаленого доступу до коштов-
ного обладнання та навчальних матеріалів, що знаходяться в різних наукових
установах [9]. До подібних систем слід віднести віртуальну лабораторію автома-
тизованого проектування (ВЛАП) [10], яка створена в Інституті кібернетики
ім. В.М. Глушкова НАН України.
Ця ВЛАП успішно використовується в рамках програми НАН України
"Сенсорні системи для медико-екологічних та промислово-технологічних по-
треб". Проекти, які виконуються за цією програмою, є, переважно, міждисцип-
лінарними. Головними виконавцями проектів є біохіміки, біологи, хіміки та ін.,
які в більшості випадків не мають певного досвіду доведення розробки біосен-
сора до біосенсорного приладу без залучення спеціалістів з приладобудування,
мікроелектроніки тощо. Використання ВЛАП дозволяє підтримувати не тільки
проектування біосенсорного приладу, але й увесь його життєвий цикл [1113].
Спрощена схема життєвого циклу продукту показана на рис. 4.
ВЛАП надає можливість спеціалістам різних галузей створювати прилади
на основі ефектів, які ними описані й формалізовані, при мінімальних знаннях
схемотехніки та електроніки. Відкривши певний ефект і створивши його модель,
спеціалісти різних галузей можуть у віртуальній лабораторії перевірити можли-
вість створення приладу на основі цього ефекту, створити модель такого прила-
ду, здійснити попередні розрахунки основних елементів приладу і в автоматич-
ному режимі розробити документацію, яка б слугувала основою для початку на-
турного проектування, а надалі й серійного виробництва.
В.О. РОМАНОВ, В.М. ГРУША, Д.М. АРТЕМЕНКО, О.В. СКРИПНИК, Н.М. ВІЛЬК
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 150
РИС. 4. Життєвий цикл продукту
ВЛАП доцільно використовувати на етапі технічного завдання або пілот-
проекту, оскільки саме на цих ранніх етапах можна достатньо швидко оцінити
можливість реалізації проекту, а також певні його характеристики (в тому числі
й економічну вигоду від практичної реалізації проекту). Розроблену в Інституті
кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України ВЛАП доцільно використовувати
не тільки для проектування нових пристроїв і систем, але і для перевірки й оці-
нювання робочих гіпотез, проведення експериментальних досліджень, оптимі-
зації спроектованого пристрою за критеріями (наприклад, точність/ціна, точ-
ність/надійність тощо), напрацювання методичного забезпечення та для дистан-
ційного навчання.
На етапах систематизації вимог, концептуалізації проекту, а також на остан-
ніх стадіях аналізу та оцінки проекту, також буде корисною система онтологіч-
ного супроводження проектів. Така система дозволить виявляти інші аналогічні
проекти, проводити аналіз прототипів та оцінку їх можливостей згідно вимог,
заданих користувачем даної системи. При реалізації даної системи нами викори-
стано досвід проекту по управлінню знаннями в наукових дослідженнях –
European IST project Esperonto (рис. 5) [14].
Отже, створена ВЛАП і системи онтологічної підтримки проектів дозволя-
ють об'єднати зусилля фахівців з різних галузей науки на всіх етапах розробки
наукоємного продукту або проведення досліджень у рамках певного проекту.
Потреба в товарі (напри-
клад, біосенсор для діаг-
ностики пташиного гри-
пу)
Систематизація вимог та концептуалізація
проекту з урахуванням існуючих рішень
та технологій
Моделювання та проектування виробу
Виготовлення дослідного зразка та його
дослідження
Створення документації та виробництво Готовий прилад
ІНТЕЛЕКТУАЛЬНІ СЕНСОРИ: ОСОБЛИВОСТІ ТА ПРОБЛЕМИ ПРОЕКТУВАННЯ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 151
РИС. 5. Відношення між онтологіями, які пов'язані з управлінням знаннями в наукових
дослідженнях
Висновки.
1. Наведено основні напрямки розвитку сенсорних технологій та особливос-
ті побудови інтелектуальних сенсорів та сенсорних систем.
2. Показано, що уніфікація сенсорних технологій має відповідати вимогам
сучасних стандартів, таких як IEEE 1451, які, на жаль, ще й досі офіційно не
впроваджені в Україні.
3. Показано, що міждисциплінарні дослідження потребують підтримки ін-
формаційних технологій у вигляді віртуальних лабораторій автоматизованого
проектування і систем онтологічної підтримки проектів.
4. Розглянуто можливості розробленої в Інституті кібернетики ім.
В.М. Глушкова НАН України ВЛАП і систем онтологічної підтримки проектів
на різних етапах створення складних наукоємних приладів.
1. Frank Randy. Understanding Smart Sensors. – Second Edition. Artech House Publishers,
2002. – 412 p.
2. Войтович І.Д., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори. – К., 2007 – 514 с.
3. Gerard C.M. Meijer. Smart Sensors Systems. – John Wiley&Sons, Ltd, 2008. – 404 p.
4. http://ieee1451.nist.gov
5. http://www.transducerml.org
6. Козлов А. Промышленные стандарты беспроводной передачи данных // Chip News Ук-
раина. – 2008. – № 7. – С. 18– 21.
7. http://www.efo.ru
http://www.transducerml.org/
В.О. РОМАНОВ, В.М. ГРУША, Д.М. АРТЕМЕНКО, О.В. СКРИПНИК, Н.М. ВІЛЬК
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2008, № 7 152
8. Hrusha V., Osolinskiy O., Sachenko A. et al. Distributed On-line Temperature Control
System // Computing, Vol. 6, Issue 7, Тернопіль: „Економічна думка”, 2007. – С. 62–67.
9. Grimaldi D., Rapuano S., Laopoulos T. Aspects of Traditional verses Virtual Laboratory for
Education in Instrumentation and Measurement // IEEE Instrumentation and Measurement
Technology : Conf., Ottawa, Canada : Proceeding, 2005. – Vol. 2. – P. 1233–1238.
10. Галелюка І.Б. Елементи теорії та інструментальні засоби віртуального проектування
комп'ютерних пристроїв і систем автоматизації експериментальних досліджень біологіч-
них об'єктів: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – К., 2008. – 20 с.
11. Палагін О.В., Романов В.О., Галелюка І.Б., Груша В.М. Інформаційні технології як ін-
струмент міждисциплінарних досліджень // Автоматика-2008. Доп. XV Міжнар. конф. з
автоматичного управління, 23-26 вересня 2008. – Одеса: ОНМА, 2008. – С. 880–882.
12. Палагін О.В., Романов В.О., Галелюка І.Б., Качановська М.С. Віртуальна лабораторія для
проектування і розрахунку приладів // Розвиток інформаційно-комунікаційних техноло-
гій та розбудова інформаційного суспільства в Україні : Тез. доп. міжнар. наук. конф.,
15–21 березня 2007. СеВІТ-2007, Ганновер, Німеччина, 2007. – С. 27–33.
13. Романов В.О., Клочан П.С., Брайко Ю.О., Галелюка І.Б. Інформаційні технології для
проектування інтелектуальних портативних біосенсорів // Матеріали міжнар. конф.
"50 років Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України". – ІК НАН України,
Київ, Україна, 2007 24–26 грудня. – С. 197–204.
14. http://www.esperonto.net : European IST project Esperonto.
Отримано 21.11.2008
http://www.esperonto.net/
|