Разработка программно-аппаратного комплекса контроля газовоздушной среды предприятия

Обеспечение безопасности персонала на объектах нефтегазового и химического комплексов остаётся приоритетной задачей вследствие высокого риска утечек горючих и токсичных газов, повышенного шума и травматизма, включая падения при выполнении обходов или ремонтных работ. Согласно данным Ростехнадзора, ежегодное число несчастных случаев на таких предприятиях за период 2019–2025 гг. составляло от 1156 до 1342, что указывает на недостаточную эффективность традиционных методов контроля [1]. Стационарные газоанализаторы и периодические обходы не позволяют отслеживать опасные факторы непосредственно в зоне дыхания сотрудника и своевременно фиксировать его критическое состояние (например, потерю сознания после падения).

В связи с этим актуальной задачей является создание персонального программно-аппаратного комплекса, интегрируемого в штатные средства индивидуальной защиты и обеспечивающего непрерывный контроль концентраций метана (CH₄) и аммиака (NH₃), уровня шума, а также детекцию падения с длительной неподвижностью. Дополнительными требованиями выступают низкое энергопотребление, беспроводная передача данных без развёрнутой Wi‑Fi/4G инфраструктуры и наличие локального интерфейса для диспетчера.

Рисунок 1. Архитектура комплекса

Предложенный комплекс имеет двухуровневую архитектуру. Нижний уровень – носимое устройство, выполненное на микроконтроллере ESP32. К нему подключены: газовые сенсоры MQ-135 (NH₃) и MQ-4 (CH₄) через аналоговые входы с управлением питанием через MOSFET; цифровой микрофон INMP441 по интерфейсу I2S; инерциальный модуль MPU-6050 (I2C); OLED‑дисплей SSD1306; делитель напряжения для контроля Li‑Ion аккумулятора (3,7 В, 2000 мА·ч). Устройство закрепляется на каске работника.

Верхний уровень – базовая станция на втором ESP32, работающая в режиме точки доступа (SoftAP). Она принимает пакеты ESP‑NOW, проверяет MAC‑адрес отправителя по белому списку, ведёт кольцевой журнал событий, сохраняет конфигурацию и последние состояния в файловой системе SPIFFS, а также предоставляет веб‑интерфейс (HTML+CSS+JavaScript) через встроенный HTTP‑сервер. Оператор подключается к точке доступа «GasMonitorv9.4» со своего ноутбука или планшета и наблюдает за карточками сотрудников в реальном времени.

Алгоритм работы носимого устройства реализован на C++ в среде Arduino IDE. Измерения производятся с разными интервалами: газовые сенсоры – каждые 50 мс (фильтрация скользящим средним), шум – 100 мс (расчёт среднеквадратичного значения), акселерометр – 50 мс. Для MQ‑датчиков используется двухэтапная калибровка: сначала вычисляется сопротивление сенсора в чистом воздухе R₀, затем концентрация ppm по степенной аппроксимации (для MQ-135: A = 37,59, B = –3,235) [3]. Уровень шума в децибелах получается путём преобразования RMS отсчётов с микрофона по калибровочной таблице.

Детекция падения реализована в виде конечного автомата с тремя состояниями: норма, ожидание неподвижности, тревога. Переход в режим ожидания происходит при свободном падении (результирующее ускорение < 0,8g в течение 2 отсчётов) либо ударе (> 1,8g или > 4,0g). Если после события в течение 30 секунд не регистрируется движение (гироскоп < 20 °/с), фиксируется авария «падение». Телеметрия в формате JSON (поля: nh3, ch4, noise, fall, bat) отправляется широковещательно по ESP‑NOW раз в секунду [2].

Рисунок 2. Главный экран в веб-интерфейсе

Веб-интерфейс базовой станции динамически отображает карточки сотрудников с цветовой индикацией (зелёный – норма, оранжевый – предупреждение, красный – авария, пульсация – offline с неподтверждённой тревогой). Реализована сортировка по приоритету, журнал событий (до 200 записей), подтверждение тревог, добавление/удаление MAC‑адресов. Интерфейс адаптивен и работает на любом устройстве с браузером.