ChSTU repository

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ 
КАФЕДРА ПРИЛАДОБУДУВАННЯ, МЕХАТРОНІКИ ТА 
КОМП‘ЮТЕРИЗОВАНИХ ТЕХНОЛОГІЙ 
 
 
 
Допущено до захисту 
Завідувач кафедри ПМКТ 
_______ М.О. Бондаренко  
«___» ___________ 2024 р. 
 
 
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА 
ДО КВАЛІФІКАЦІЙНОЇ РОБОТИ БАКАЛАВРА 
 
на тему «Система моніторингу довкілля з бездротовою передачею даних» 
 
 
Виконав здобувач освіти 4 курсу, групи М-204ск 
спеціальність: 152 – Метрологія та інформаційно-
вимірювальна техніка 
освітня програма: Метрологія та інформаційно-
вимірювальна техніка 
_____ Огородова Юлія Віталіївна            . 
Керівник       Гальченко В.Я.  
Рецензент     .  
 
 
Кваліфікаційна робота бакалавра містить результати власних здобутків автора. 
Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на 
відповідне джерело ___________________________________________________ 
підпис здобувача 
 
 
 
Черкаси – 2024 
Зміст 
Стор 
Технічне завдання  2 
Вступ 5 
1 Огляд відомих методів і засобів вимірювання на основі існуючих  
аналогів 7 
1.1 Первинні перетворювачі 7 
1.2 Вихідні бездротові інтерфейси цифрових датчиків 18 
1.3 Перспективні розробки в галузі проектування цифрових пристроїв 28 
2 Обґрунтування технічного завдання  33 
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми системи 34 
3.1 Функціональна схема датчика 34 
3.2 Вибір і обґрунтування апаратного забезпечення 35 
3.3 Розробка принципової електричної схеми  39 
4 Розрахунок елементів схеми  41 
4.1 Розрахунок похибки вимірювального каналу датчика  41 
4.2 Розробка алгоритму роботи 45 
5 Розробка методики перевірок 48 
5.1 Розробка методики виконання вимірювання 48 
5.2 Розробка методики повірки 52 
6 Спеціальний розділ 61 
6.1 Економічне обґрунтування розробки системи 61 
6.2 Охорона праці 63 
Висновок 74 
  
  
  
  
     
      М-204СК.024.415.001 ПЗ  
Зм. Лист № докум. Підп Дата 
Разроб.  
Огородова Ю   Літ. Арк Аркуш ів 
Пров. Гальченко В.Я..   Система моніторингу довкілля з  Т  3  
      бездротовою передачею даних ЧДТУ 
Н.контр Тичков В.В   Пояснювальна записка 
Затв.     
 
 
Список використаної літератури 75 
Додаток А Відомість технічного проекту 
Додаток Б Список нормативної документації 
Додаток В   Специфікація і переліки документів  
Додаток Г    Розрахунок на ЕОМ  
Додаток Д   Карти технологічного процесу…………………………… 
 
  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 4 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Вступ 
 
Швидкий розвиток цифрової техніки та цифрових методів оброблення 
сигналів визначає сучасні тенденції в розробленні найрізноманітніших пристроїв і 
приладів, при цьому значна роль належить аналого-цифровому та цифро- 
аналоговому перетворенню. Воно широко використовується в усіх галузях 
радіоелектроніки, у різній вимірювальній і контрольній апаратурі, системах зв'язку, 
застосовується в радіомовленні та телебаченні. 
В автоматизованих системах використовується велика кількість цифрових 
приладів, для збору, зберігання та обробки вимірювальної інформації про стан 
окремих елементів системи. Для забезпечення правильної роботи датчиків, з метою 
отримання достовірної інформації, використовується алгоритм "з'єднання з 
головною системою", що складається з польової (для отримання первинних даних), 
керівної (для фільтрації отриманої інформації) та інформаційної (для обробки 
отриманої інформації) підсистем. Наразі широко використовують датчики з 
дротовим передаванням даних, що тягне за собою виникнення низки проблем: 
неможливість установлення їх у важкодоступних місцях, ризик аварійної ситуації 
під час обриву та зносу кабелю, що передає інформацію, дорожнеча 
обслуговування загалом. Тому актуальним є завдання розроблення цифрового 
вимірювального пристрою моніторингу довкілля з виходом на бездротову мережу 
передавання даних. 
Проектований датчик моніторингу довкілля здійснює передавання 
вимірювальних даних за протоколом ZigBee (англ. applicationsupportsublayer, 
підтримка підрівня додатка). Для цієї технології характерне безпечне передавання 
даних, захищеність, здатність до самоорганізації та самовідновлення, комірчаста 
(mesh)-топологія, висока стійкість до завад, низьке енергоспоживання і відсутність 
необхідності отримання частотної роздільної здатності за відносно невеликих 
швидкостей передавання даних. 
Основною перевагою передачі в бездротовій системі є те, що вона може 
бути встановлена ефективно, оперативно і без значних витрат практично в будь-
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 5 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
якому місці. Датчики з автономним живленням не потребують дротової 
інфраструктури. Вони також можуть бути встановлені в таких місцях, де 
організація живлення або прокладання кабелю будуть занадто витратними або 
небезпечними. Бездротові рішення набувають дедалі більшої популярності завдяки 
можливості контролю з будь-якої точки. 
Метою випускної кваліфікаційної роботи є розробка датчика моніторингу 
довкілля з бездротовою передачею даних. 
 
 
 
 
  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 6 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
1 Огляд відомих методів і засобів вимірювання на основі існуючих 
аналогів 
 
 
1.1 Первинні перетворювачі 
 
Основними елементами більшості застосовуваних засобів вимірювань є 
первинні вимірювальні перетворювачі (далі - ПВП), призначення яких - 
перетворення вимірюваної фізичної величини (вхідна величина) на сигнал 
вимірювальної інформації (вихідна величина), зазвичай електричний, зручний для 
подальшого опрацювання. [1] 
Вимірювальне перетворення – це процес трансформації значення однієї 
фізичної величини у значення іншої фізичної величини, яка з нею функціонально 
взаємопов’язана. Наприклад, у термометрі температура перетворюється на 
довжину стовпчика ртуті або спирту, при цьому функціональним зв'язком між 
цими величинами є закон теплового розширення рідин. [2] 
Первинні перетворювачі атмосферного тиску 
Тиск - сила, що діє на одиницю площі. За своєю фізичною природою не 
може бути виміряна прямими методами, тобто безпосереднім порівнянням з 
еталоном. Розподілену по поверхні силу треба замінити рівною силою, 
прикладеною до математичної точки, і перетворити на фізичну величину, доступну 
для спостереження. 
Основним елементом будь-якого датчика тиску є механоелектричний 
перетворювач "сенсор", тобто пристрій, що перетворює тиск в електричний сигнал. 
Сенсор містить чутливий елемент (далі - ЧЕ), який сприймає розподілену 
поверхнею силу і перетворює механічну енергію в електричну. 
Історично першу групу ЧЕ утворюють пристрої, в яких тиск перетворюється 
на силу, що спричиняє переміщення математичної точки її прикладання. 
Найпоширенішими ЧЕ цього типу є трубка Бурдона, яка "розгинається" під дією 
тиску, сильфон і мембранна коробка, жорсткий центр яких здійснює поступальний 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 7 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
рух. 
 
 
Рисунок 1.1 - Трубка Бурдона (а) і сильфон (б) 
 
Отже, ЧЕ перетворює тиск рідини або газу на переміщення. Переміщення 
ЧЕ створює силу, яка зі свого боку спричиняє переміщення соленоїда в магнітній 
котушці (індуктивний датчик), переміщення контакту поверхнею резистора 
потенціометра, зміщення обкладки конденсатора (ємнісний датчик) тощо. При 
скиданні тиску трубка повертається в початковий стан. Величина неповернення 
називається пружним гістерезисом і є джерелом непереборної похибки приладу. 
Очевидно, що чим більша величина переміщення, тим більше значення вихідного 
сигналу. Водночас, чим більше переміщення, тим більша пружна післядія 
матеріалу ЧЕ, а отже, і нелінійність, гістерезис, тимчасова нестабільність. 
Перевагами цієї схеми перетворення є простота реалізації вимірюваним тиском і 
відносна нескладність виготовлення датчиків невисокої точності. 
Другу групу (сучасну) утворюють сенсори, в яких тиск перетворюється на 
деформацію пружної мембрани. Тиск так і залишається розподіленою силою, а ЧЕ 
є вся поверхня мембрани, яка прогинається під дією тиску. [3] 
 
 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 8 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Без тиску Під тиском 
 
Рисунок 1.2 - Схема типового кремнієвого ЧЕ 
 
Первинні перетворювачі температури 
Температура - фізична величина, що характеризує стан термодинамічної 
рівноваги макроскопічної системи. 
Температура є основною величиною, яку найчастіше вимірюють на 
практиці. Відповідний вимірювальний пристрій називають термометром, якщо 
йдеться про невисокі температури, або пірометром, якщо йдеться про високі 
температури. 
Первинні вимірювальні перетворювачі температури класифікуються за 
принципом дії на такі категорії: 
• Контактні волюметричні термометри: вимірюють зміну об'єму 
рідини або газу зі зміною температури. 
• Дилатометричні термометри: визначають температуру за 
подовженням різних матеріалів при зміні температури. В деяких випадках 
використовується пластинка з двох металів із різними коефіцієнтами теплового 
розширення, яка згинається при нагріванні або охолодженні. 
• Термопари: складаються з двох різнорідних провідників, спаяних на 
кінцях. При наявності різниці температур між спаями в термопарі виникає 
електричний струм, який служить індикатором зміни температури. Вимірювання 
проводиться за термо-ЕРС або за силою струму термопари. 
• Термоопори: термометри, які вимірюють опір провідника в залежності 
від температури. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 9 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Неконтактні методи, що базуються на реєстрації власного теплового або 
оптичного випромінювання, включають такі напрямки: 
• Радіометрія: вимірювання температури за власним тепловим 
випромінюванням тіл. Це випромінювання в інфрачервоному діапазоні довжин 
хвиль застосовується для невисоких і кімнатних температур. 
• Теплобачення: радіометричне вимірювання температури з 
просторовою роздільною здатністю, що перетворює температурне поле у 
телевізійне зображення, іноді з кольоровим контрастом. Це дозволяє вимірювати 
градієнти температури, а також температуру середовища в замкнених об'ємах, 
наприклад, у резервуарах і трубах. 
• Пірометрія: вимірювання температури самосвітних об'єктів, таких як 
полум'я, плазма та астрофізичні об'єкти. Використовує принцип порівняння 
яскравості об'єкта зі стандартом яскравості (яскравісний пірометр), кольору об'єкта 
з кольором стандарту (колірний пірометр), або теплової енергії, випромінюваної 
об'єктом, з енергією стандартного випромінювача (радіаційний пірометр). 
 
Термоелектричні перетворювачі. Галузі застосування термопар 
Принцип дії термопар заснований на термоелектричному ефекті. Якщо 
з'єднати два різнорідні метали за температури, вищої за абсолютний нуль, то між 
ними з'явиться різниця потенціалів (термоЕРС, або контактна різниця потенціалів), 
що є функцією температури спаю (з'єднання) (Рисунок 1.3 А). Для того щоб 
сформувати два спаї (див. рисунок 1.3 Б), з'єднаємо між собою два термопарні 
дроти з обох кінців. Якщо обидва спаї перебувають за різних температур, то в 
ланцюзі з'являється результуюча ЕРС і потече струм, який визначається величиною 
ЕРС і повним опором ланцюга (див. рисунок 1.3 В). Якщо розірвати один із дротів, 
то напруга в точках розривів дорівнюватиме результуючій термоЕРС у ланцюзі, і 
якщо виміряти цю напругу, то можна використовувати її для розрахунку різниці 
температури двох спаїв (див. рисунок 1.3 Г). Завжди необхідно пам'ятати, що 
термопара вимірює різницю температур двох спаїв, а не абсолютну температуру 
одного зі спаїв. Можна вимірювати температуру на вимірювальному спаї тільки 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 10 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
тоді, коли відома температура іншого спаю (званого часто опорним або холодним 
спаєм). 
 
 
Рисунок 1.3 - Основи роботи термопари 
 
Термопари дають на виході напругу, хоча й досить малої величини, і не 
потребують зовнішнього збудження. Як показано на рисуноку 1.3 Г, для 
вимірювання використовуються два спаї (Т1 - вимірювальний спай і Т2 - опорний 
спай). Якщо Т1=Т2, то V1=V2 і вихідна напруга V=0. Вихідну напругу термопар 
часто визначають по відношенню до температури опорного спаю за 0 °C (звідки 
випливає термін "холодний спай" або спай точки танення льоду), таким чином, 
термопара дає напругу 0 В за температури вимірювального спаю 0 °C. Для того щоб 
зберегти високу точність вимірювання системи, опорний спай має бути за добре 
відомої температури (необов'язково з а 0 °C). Нині для цих цілей використовують 
електроніку. Інший температурний датчик (часто напівпровідниковий датчик, а 
іноді термістор) вимірює температуру холодного спаю, а його сигнал 
використовується для введення напруги у вимірювальний ланцюг термопари. 
Сигнал компенсує різницю між дійсною температурою холодного спаю та її 
ідеальною величиною (0 °С), як показано на рисуноку 1.4. 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 11 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
 
Рисунок 1.4 - Використання датчика температури для компенсації 
холодного спаю 
 
В ідеальному випадку, компенсуюча напруга має точно відповідати 
необхідній різниці напруг, тому на схемі дається напруга як функція f(T2), а не 
К×Т2, де К - константа. На практиці, оскільки температура холодного спаю рідко 
відрізняється від 0 °С більш ніж на кілька десятків градусів, і зазвичай змінюється 
менше, ніж на ±10 °С, від номінальної величини, лінійна апроксимація (V = К × Т2) 
є досить точною і часто використовуваною функцією. 
Під час використання електронної компенсації холодного спаю, загально 
прийнято не робити додаткового спаю термопари, натомість необхідно 
встановлювати вільні кінці термопари в спеціальний ізотермічний блок. 
Мікроконтролер (далі - МК) виконує арифметичні дії з компенсації температури 
холодного спаю та лінеаризації характеристики термопари. [5] 
У будь-якій парі однорідних провідників величина термоелектричної сили 
залежить виключно від властивостей матеріалів і температури спаїв, а не від 
розподілу температури вздовж провідників. Термоелектричний контур можна 
розімкнути в будь-якій точці, додаючи один або кілька різнорідних провідників. 
Якщо всі нові з'єднання знаходяться при однаковій температурі, результуюча 
термоеДС контуру не змінюється. Це використовується для вимірювання 
термоеДС термопари. ЕРС, що створюється термопарами, відносно невелика: до 8 
мВ на кожні 100 °С і зазвичай не перевищує 70 мВ. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 12 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Термопари бувають різних типів, залежно від використовуваних матеріалів, 
і мають різний діапазон робочих температур. Вони дозволяють вимірювати 
температуру від -200 до +2200 °С. Для вимірювання температур до +1100 °С 
використовуються термопари з неблагородних металів, від +1100 до +1600 °С - з 
благородних металів та платинових сплавів, а для більш високих температур - 
термопари з жаростійких сплавів, наприклад, на основі вольфраму. Для 
вимірювання кімнатної температури підходять термопари типу К, Е, Т. Найчастіше 
для виготовлення термоелектричних перетворювачів використовуються платина, 
платинородій, хромель, алюмель. 
Постійна часу термоелектричних перетворювачів залежить від конструкції 
та якості теплового контакту робочого спаю термопари із середовищем і для 
промислових термопар складає декілька хвилин. Проте, існують малінерційні 
термопари, у яких постійна часу складає від 5 до 20 секунд і менше. 
Термопари широко використовуються для вимірювання температури різних 
об'єктів, а також в автоматизованих системах керування та контролю. 
Популярність вимірювань за допомогою термопар зумовлена їхньою надійною 
конструкцією, здатністю працювати в широкому діапазоні температур і 
економічністю. Вони зручні в монтажі, дозволяють вимірювати локальну 
температуру, і мають добре вивчену нелінійність. Термопари також відрізняються 
малою інерційністю та можливістю вимірювання малих різниць температур. Вони 
є незамінними при вимірюванні високих температур (до +2200 °С) в агресивних 
середовищах, забезпечуючи високу точність вимірювання на рівні ±0,01 °С. 
Вихідний сигнал термопар варіюється від мікровольт до мілівольт, однак для 
подальшої обробки необхідне стабільне посилення. Термопари також потребують 
компенсації температури холодного спаю.. [6] 
 
Термоопори 
Термоперетворювачі опору являють собою більш складні прилади, ніж 
прості резистори. Їхній принцип роботи ґрунтується на зміні електричного опору 
напівпровідникових матеріалів або металів/сплавів під впливом температури 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 13 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
навколишнього середовища. Для промислових приладів виведено номінальні 
статичні характеристики, на які орієнтуються виробники. 
Термоопори широко використовуються в промисловості та їх застосування 
в тому чи іншому середовищі залежить головним чином від корпусу приладу: 
– нафтогазовий, паливно-енергетичний комплекс; 
– машинобудування, автомобільна індустрія та спецтехніка; 
– хімічна промисловість, будівництво; 
– сфера освіти; 
– хімічні сполуки; 
– вода, газ, пар; 
– рідкі, тверді, сипучі продукти 
– середовища температурою від -200 до + 600 °С (у середньому), що 
потребують контролю температури для систем автоматичного керування (далі - 
АСК); 
– інші АСК. 
Призначення термоперетворювачів опору: 
– високоточне (до тисячних часток градуса) і високостабільне вимірювання 
температури середовища в середніх температурних діапазонах (-200 ... +600 в 
більшості випадків) з передачею сигналу в інформаційно-керувальну систему 
(використовуються 2, 3, і 4-х провідні схеми зняття даних); 
– лабораторні стенди, еталонні вимірювання температур; 
– уніфіковані системи, що вимагають високої взаємозамінності датчиків. 
Основні переваги термоперетворювачів опору: 
– взаємозамінність (датчики стандартизовані за номінальними статичними 
характеристиками); 
– висока точність, а також стабільність вимірювань (може доходити до 
тисячних) і можливість виключення опору лінії зв'язку з чинників, що впливають 
на точність (у разі 3 або 4-провідної схеми); 
– близькість характеристик до лінійних (майже лінійна залежність). 
Недоліки здебільшого виходять із принципу роботи: 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 14 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
– потрібне джерело живлення (струму) для живлення резистора; 
– дорожнеча відносно простих термопар; 
– малий порівняно з термопарами діапазон вимірювань. [7] 
 
Первинні перетворювачі вологості 
Вологість - це параметр, що характеризує вміст водяної пари в повітрі. 
Вологість може вимірюватися кількома з можливих величин: 
– для визначення вологості, як повітря, так і інших газів, вимірювання 
проводять у грамах на кубометр, коли йдеться про абсолютне значення вологості, 
або в одиницях RH, коли йдеться про вологість відносну; 
– для вимірювання вологості твердих тіл або в рідинах підходять 
вимірювання у відсотках від маси досліджуваних зразків; 
– для визначення вологості рідин, що погано змішуються, одиницями 
виміру слугуватимуть ppm (скільки частин води припадає на 1000000 частин ваги 
зразка). 
1) Ємнісний датчик вологості 
 
Рисунок 1.5 - Ємнісний датчик вологості 
 
Ємнісні гігрометри, в найпростішому випадку, являють собою 
конденсатори з повітрям як діелектриком у зазорі. Відомо, що у повітря 
діелектрична проникність безпосередньо пов'язана з вологістю, а зміни вологості 
діелектрика призводять і до змін у ємності повітряного конденсатора. 
Складніший варіант ємнісного датчика вологості в повітряному зазорі 
містить діелектрик, з діелектричною проникністю, що може сильно змінюватися 
під впливом на нього вологості. Цей підхід робить якість датчика кращою, ніж 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 15 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
просто з повітрям між обкладками конденсатора. 
Другий варіант добре підходить для проведення вимірювань щодо вмісту 
води в твердих речовинах. Досліджуваний об'єкт розміщується між обкладками 
такого конденсатора, приміром, об'єктом може бути таблетка, а сам конденсатор 
приєднується до коливального контуру та до електронного генератора, при цьому 
вимірюється власна частота отриманого контуру, і за виміряною частотою 
"обчислюється" ємність, отримана під час внесення досліджуваного зразка. 
Третій тип ємнісного датчика вологості - це ємнісний тонкоплівковий 
гігрометр. Він містить підкладку, на яку нанесені два гребінчастих електроди. 
Гребінчасті електроди відіграють у цьому разі роль обкладок. З метою 
термокомпенсації в датчик додатково вводять ще й два термодатчики. 
2) Резистивний датчик вологості 
 
Рисунок 1.6 - Резистивний датчик вологості 
 
Такий датчик містить два електроди, які нанесені на підкладку, а поверх на 
самі електроди нанесено шар матеріалу, який вирізняється доволі малим опором, 
який, однак, сильно змінюється залежно від вологості. 
3) Термісторний датчик вологості 
 
Рисунок 1.7 - Термісторний датчик вологості 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 16 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Термісторний гігрометр складається з пари однакових термісторів 
(термістор - це нелінійний електронний компонент, опір якого сильно залежить від 
його температури). 
Один із включених у схему термісторів розміщують у герметичній камері з 
сухим повітрям. А інший - у камері з отворами, через які в неї надходить повітря з 
характерною вологістю, значення якої потрібно виміряти. Термістори з'єднують за 
мостовою схемою, на одну з діагоналей моста подають напругу, а з іншої діагоналі 
зчитують показання. 
4) Оптичний (конденсаційний) датчик вологості 
Цей вид датчиків найбільш точний. В основі роботи оптичного датчика 
вологості - явище пов'язане з поняттям "точка роси". У момент досягнення 
температурою точки роси, газоподібна і рідка фази - в умові термодинамічної 
рівноваги. 
Оптичний датчик вологості має найвищу точність, недосяжну для інших 
типів датчиків, плюс відсутність гістерезису. Недолік - найвища ціна з усіх, плюс 
велике споживання електроенергії. До того ж необхідно стежити за тим, щоб 
дзеркало було чистим. 
5) Гігрометр електронний 
Принцип роботи електронного датчика вологості повітря заснований на 
зміні концентрації електроліту, що покриває собою будь-який електроізоляційний 
матеріал. Існують такі прилади з автоматичним підігрівом із прив'язкою до точки 
роси. 
Часто точка роси вимірюється над концентрованим розчином хлориду 
літію, який є дуже чутливим до мінімальних змін вологості. Для максимальної 
зручності такий гігрометр часто додатково обладнують термометром. Цей прилад 
має високу точність і малу похибку. Він здатний вимірювати вологість незалежно 
від температури навколишнього середовища. [8] 
 
 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 17 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
1.2 Вихідні бездротові інтерфейси цифрових датчиків 
 
Технологія ZigBee 
У 2001 році група розробників із компаній Eaton Corporation, Motorola 
Labs і Qualcomm Inc. розпочала спільну роботу зі створення нового стандарту 
IEEE 802.15.4 - Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN), що визначає 
технологію і принципи функціонування низькошвидкісних бездротових мереж. 
Такі мережі призначалися для недорогих бездротових комунікаційних пристроїв із 
малим енергоспоживанням, що працюють на невеликій дальності. 
Стандарт IEEE 802.15.4 описує лише найнижчі, фізичний та канальний рівні 
передавання даних радіоканалом, а ім'я ZigBee означає технологію загалом, 
включно з фізичним рівнем та належним логічним рівнем - рівнем мережевого 
програмного забезпечення (далі - ПЗ) (організацією структури мережі, 
забезпеченням безпеки, підтримкою профілів тощо). Надалі ці поняття змішалися і 
стали майже синонімами. 
Перші практичні результати роботи з'явилися вже в лютому 2003 року, коли 
розробники з Korean Advanced Institute of Scienceand Technology продемонстрували 
перший прототип радіопристрою, що працює в стандарті IEEE 80215.4. Вартість 
мм2 
передавача розміром 8,75 становила менше долара. Споживання не 
перевищувало 21 мВт у режимі приймання і 30 мВт у режимі передавання за 
Uпіт=1,8В. Радіопристрій являв собою систему на кристалі, виконану за 
багатошаровою технологією, і містив у собі приймач-передавач, процесор із 
власною пам'яттю, антену і батарейку. [9] 
Перший з відомих варіантів інтерпретації назви технології ZigBee - це 
поєднання Zigzag і Bee: передача повідомлень бджолами у вулику за допомогою 
рухів тіла зигзагоподібної форми. Раніше стандарт був також відомий під 
іменами "HomeRF lite", "Firefly" та "RF-Easy Link". Іноді ZigBee вважають 
комбінацією RomeRF Lite і специфікації стандарту 802.15.4, розробленої IEEE, 
тобто технологія має явно виражене американське походження. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 18 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Вирішувані WPAN завдання мають специфічні особливості, що дають змогу 
розглядати радіомережі цього типу окремо від інших бездротових технологій. По- 
перше, у самій назві "персональні" підкреслюється їхнє застосування окремою 
людиною, сім'єю, з меншою ймовірністю - групою людей. Звідси випливає низка 
вимог, таких, як малі габарити, знижене споживання електроживлення, невеликі 
дальності зв'язку, спрощена інсталяція, яка не потребує спеціальної підготовки, і 
низка інших. Це сектор ринку, де користувач технології платить зі своєї кишені. 
По- друге, зазначимо, що спектр швидкостей передавання даних тут доволі вузький 
і визначається конкретним застосуванням технології - від увімкнення освітлення та 
передавання сигналу про задимлення до зв'язку ПК із клавіатурою та мишею 
(мультимедійне передавання між двома об'єктами в такій мережі не 
передбачається). Нарешті, еволюція персональних мереж показала, що існують 
оптимальні комбінації параметрів елементів мережі. Наприклад, пристрій може 
застосовуватися рідко, але на відносно велику дальність, або, навпаки, часто і на 
малу дальність. Можна назвати й інші варіанти різних поєднань споживчих вимог. 
Це призвело до того, що створення універсальної технології "на всі випадки 
застосування мереж персонального зв'язку" виявилося складною і навіть 
непотрібною справою. Для гігантів електронної індустрії цей факт став сигналом 
для початку перегонів за захоплення ринків збуту і розвиток відповідних 
технологій. Для розроблення специфікацій стандарту і просування продукції на 
ринок було створено ZigBee Alliance - його метою стало розроблення стандарту 
бездротового зв'язку, який був би недорогим і більш функціональним саме в цій 
сфері застосування. 
До цього альянсу ввійшли Philips, Motorola, Honeywell, Invensys, Mitsubishi 
та інші виробники електроніки та обладнання, загальним числом понад п'ятдесят 
(стандарт Bluetooth підтримує понад 3000 організацій). [10] 
Призначення технології 
Технологія ZigBee позиціонувалася своїми авторами для застосування в 
системах контролю та управління, які передають невеликі обсяги даних, 
наприклад, контролери освітленості приміщення, термостати, кондиціонери, 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 19 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
пульти дистанційного керування, бездротові клавіатури та миші для комп'ютера, 
датчики диму та вуглекислого газу, пристрої виклику допомоги для літніх людей і 
дітей, пристрої домашньої автоматизації тощо. 
Таким чином, стандарт ZigBee орієнтований, головним чином, на 
використання як засобу зв'язку між автономними приладами та обладнанням 
управління. Звідси випливають і висунуті до технології вимоги, які було 
реалізовано: 
– підтримка мереж із кількома сотнями функціонуючих пристроїв (до 
255 підключених пристроїв); 
– забезпечення в реальних домашніх умовах середнього радіусу дії мереж 
близько 30 метрів; 
– простота інсталяції та застосування. 
Для порівняння технологія Wi-Fi (IEEE 802.11b) підтримує 50 пристроїв без 
втрати продуктивності мережі, WirelessUSB і Bluetooth (основні конкуренти 
ZigBee) 
- по сім елементів у кожній пікомережі. З іншого боку, дальність дії в 
домашніх умовах для Wi-Fi становить 100 метрів, а для WirelessUSB і Bluetooth - 
до 10 метрів. Таким чином, споживча ніша нової технології очевидна - часткова 
конкуренція зі згаданими технологіями і повна заміна дротових і радіопровідних 
систем аналогічного призначення (LonWorks, HomePNA та ін.). 
Архітектура стандарту 
Традиційно розробники стандартів технологій бездротового зв'язку 
особливу увагу приділяють двом-трьом нижнім рівням семирівневої моделі 
відкритих систем ISO. На рисуноку 1.8 представлено архітектуру стандарту, де (від 
низу до верху) - фізичні рівні ( PHY) діапазонів 868 МГц ( Європа) і 915 МГц 
(США), а також фізичний рівень загального діапазону 2,4 ГГц. Над ними 
розташований транспортний рівень, що визначає поділ радіосигналів під час 
їхнього доступу до пристрою мережі. 
Нижні рівні визначаються стандартом IEEE, середня частина перебуває 
цілком у веденні ZigBee Alliance (Рисунок 1.9), проте користується технологією 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 20 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
користувач (customer), який диктує споживчі властивості пристроїв, які 
експлуатуються. 
 
 
Рисунок 1.8 - Архітектура стандарту 
 
Розподіл "зон відповідальності" розробників і споживачів технології 
виглядає таким чином (див. рисунок 1.9). 
 
Рисунок 1.9 - Розподіл шарів семирівневої моделі 
 
Доступ до середовища передачі в даній технології типу CSMA-CA - (Carrier 
Sense Multiple Access with Collision Avoidance) - множинний доступ з 
прослуховуванням несучої та уникненням колізій. Цей вид доступу є традиційним 
для стандартів RadioEthernet. 
Структуру пакета даних представлено на рисуноку 1.10. Технічні параметри 
технології (особливо швидкість передавання даних) відрізняються для різних 
діапазонів частот. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 21 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
 
 
Рисунок 1.10 - Структура пакета даних 
 
Поля пакета (зліва направо): преамбула (32 біти) використовується для 
синхронізації пакета, маркер пакета (8 бітів) визначає один із трьох застосовуваних 
типів пакетів, заголовок (8 бітів) визначає довжину поля даних, PSDU - поле даних 
від 0 до 127 байтів. 
1) У діапазоні 2,4 ГГц (універсальному у світі): 
– інформаційна швидкість передачі 250 кбіт/с; 
– технічна швидкість передачі 62,5 кбод при кодуванні 4 біт/символ; 
2) У діапазоні 868 МГц (Європа) або 915 МГц (США): 
– інформаційна швидкість передачі 20 кбіт/с; 
– технічна швидкість передачі 20 кбод при кодуванні 1 біт/символ. 
Зустрічаються дані про досягнення швидкості передачі даних 40 кбіт/с у 
цьому діапазоні. Для всіх варіантів вид модуляції несучого коливання однаковий - 
відносна фазова маніпуляція; для передавання використовуються неліцензовані 
діапазони частот. 
На рисуноку 1.11 представлено частотні плани для різних діапазонів 
несучих коливань. 
 
Рисунок 1.11 - Частотні плани радіосигналів у різних діапазонах несучого 
коливання 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 22 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Фізичний рівень сенсорних мереж ZigBee 
Відповідно до технології ZigBee мережі бездротового передавання 
включають до свого складу пристрої двох класів - повнофункціональні (Full 
function device - FFD) і пристрої з обмеженою функціональністю (Reduced function 
device - RFD). Пристрої першого типу забезпечують розширені можливості з 
побудови топології мережі, можуть виконувати роль координатора роботи мережі 
(головної станції радіомережі) і можуть обмінюватися повідомленнями з будь-
якою іншою станцією мережі. Пристрої другого типу можуть працювати тільки в 
мережі зіркоподібної форми, не можуть виконувати функції координації роботи 
мережі обміну даними і мають спрощену конструкцію. Остання властивість - 
спочатку закладена в ідеологію технології нерівність можливостей пристроїв під 
час їхньої роботи в єдиній мережі - якраз і дає змогу забезпечити їхнє надзвичайно 
низьке енергоспоживання. Якщо для пристроїв Bluetooth з погляду 
енергоспоживання характерний підхід, аналогічний стільниковій телефонії - 
періодична підзарядка батарей, то тут орієнтацію здійснено в напрямку тривалого 
використання джерел одноразового застосування (пальчикових елементів) для 
численних абонентських пристроїв і домашньої електромережі - для координатора. 
Крім фізичного поділу в ZigBee-мережі існує ще й функціональний поділ 
пристроїв за типами: 
– координатор - пристрій, який ініціює розгортання мережі, керує вузлами 
мережі, зберігає мережеву інформацію; 
– маршрутизатор - пристрій, що бере участь в обміні даними як проміжна 
ланка між двома вузлами мережі; 
– кінцеві пристрої - вершини ZigBee-мережі, що відповідають за збір і 
приймання даних - це датчики, контролери виконавчих механізмів. 
Будь-яка мережа стандарту IEEE 802.15.4 зобов'язана мати принаймні один 
повнофункціональний пристрій, що виступає в ролі координатора мережі (PAN 
coordinator). Основні відмінності між повнофункціональним і функціонально 
обмеженим пристроєм наведено в таблиці 1.1. 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 23 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Таблиця 1.1 - Відмінності повнофункціонального та функціонально 
обмеженого пристрою 
Функціонально обмежений пристрій Повнофункціональний пристрій 
Застосовується тільки при з'єднанні "зірка" Можливий будь-який тип з'єднання 
Не може використовуватися як координатор Може використовуватися як 
мережі координатор мережі 
Функціонально обмежений пристрій Повнофункціональний пристрій 
Обмін даними тільки з Обмін даними з будь-яким типом 
повнофункціональним пристроєм пристрої 
Вимагає мінімальних обсягів ОЗП і ПЗП для Потребує більшого обсягу ОЗП і 
реалізації часткової підтримки стандарту ПЗП для повної реалізації стандарту 
IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 
Основний спосіб живлення - від батареї Основний спосіб живлення - від 
мережі 
 
Функціонально обмежені пристрої зазвичай є найчисленнішими вузлами 
мережі. Для них достатньо мінімальних обсягів пам'яті, і вони здатні виконувати 
лише найпростіші функції: пошук доступної мережі, пересилання та отримання 
даних. Такі пристрої дешевші за повнофункціональні, більш компактні та 
економічні. Завдяки можливості "засинання" в періоди відсутності обміну даних, 
функціонально обмежені пристрої часто живляться від батарей або акумуляторів. 
Суттєво відрізняються для цих технологій і часові параметри алгоритмів 
роботи мереж: для Bluetooth час виходу пристрою зі "сплячого" режиму становить 
близько трьох секунд, а для ZigBee - 15 мс; час доступу підпорядкованого пристрою 
до середовища передавання - 15 мс та 2 мс відповідно; навіть тривалість 
"прописування" нового елемента в мережі істотно різниться - більше ніж 3 с для 
Bluetooth та менше ніж 30 мс для ZigBee. 
Типові значення часових параметрів, пов'язаних з ініціюванням ZigBee- 
пристроїв у мережі, часом "пробудження" (переходу зі сплячого стану в активний) 
порівняно з Bluetooth-пристроями, наведено в таблиці 1.2. Тривалий час активації 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 24 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
визначається необхідністю виявлення координатором мережі нового пристрою, що 
з'явився, і занесення його у власну базу даних, а також про видачу дозволу на 
початок обміну. 
Таблиця 1.2 - Типові часові параметри пристроїв ZigBee і Bluetooth 
Параметр ZigBee Bluetooth 
Час активації нового пристрою в мережі 30 мс не менше 3 с 
Час переходу пристрою зі "сплячого" стану в 15 мс 3 с 
"активний" 
Час доступу до каналу 15 мс 2 мс 
 
Однією з головних переваг технології є тривале використання автономних 
джерел живлення. Тривалість роботи від батареї - один із найважливіших 
параметрів, якому в специфікації IEEE 802.15.4 приділено увагу. Час автономної 
роботи датчика може налічувати як кілька місяців, так і кілька років. Усе залежить 
від того, наскільки добре використовуються внутрішні режими енергозбереження і 
якою мірою реалізовано мережеві можливості економії енергії. Фактично ці дані 
підкреслюють те, що порівнювані технології розраховані на застосування в різних 
сферах застосувань. 
Дальність передачі даних у ZigBee визначається трьома факторами: 
чутливістю приймача, потужністю передавача і наявністю перешкод (стін, інших 
джерел радіосигналу). Якщо останній фактор - величина непередбачувана і 
визначається умовами експлуатації, то щодо перших двох параметрів стандарт дає 
чіткі рекомендації. Значення потужності передавачів і чутливості приймачів, як 
порівняти із сусідніми бездротовими стандартами, наведено в таблиці 1.3. 
Пристрої ZigBee мають один із найменш потужних передавачів у поєднанні 
з найчутливішим з усіх конкурентів приймачем. Така комбінація дає очевидний 
позитивний ефект - значно менший ступінь опромінення людей, які перебувають у 
зоні роботи мережі. Таким чином, ZigBee можна вважати одним із найбезпечніших 
та найекологічніших на сьогодні бездротових стандартів. 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 25 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Таблиця 1.3 - Рекомендовані характеристики передавача і приймача ZigBee 
Стандарт Чутливість Потужність Смуга пропускання 
приймача, дБм передавача, дБм приймача, МГц 
Wi-Fi -76 14 22 
Bluetooth -70 0 1 
IEEE 802.15.3 -75 8 15 
ZigBee -85 0 2 
 
Топологія мереж ZigBee 
На рисунку 1.12 представлено структуру мережі типу "зірка". 
 
Рисунок 1.12 - Структура типу "зірка" 
 
У центрі розташована станція першого типу, що виконує функції головної 
станції мережі. Вона пов'язана зі станціями обох типів, які є підлеглими 
Завдання головної станції мережі: 
– передає мережеві маркери; 
– об'єднує абонентські пристрої в єдину мережу; 
– керує абонентськими пристроями; 
– зберігає інформацію про стан мережі; 
– організовує передавання даних між тяжіючими елементами мережі; 
– отримує живлення від електромережі; 
– постійно перебуває в режимі прийому. Своєю чергою, підпорядкована 
станція мережі: 
– приймає і передає дані відповідно до виконуваного застосунку; 
– визначає, чи є дані, які необхідно передати; 
– запитує, в разі необхідності, необхідні дані від координатора мережі; 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 26 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
– зазвичай забезпечується електроживленням від автономної батареї; 
– може перебувати в сплячому режимі тривалий час. 
Станції першого типу можуть також створювати однорідні структури 
вигляду, представленого на рисунку 1.13. 
 
Рисунок 1.13 - Структури мереж однорідного типу 
Подібно до Bluetooth, технологія дає змогу будувати структури змішаного 
типу (Рисунок 1.14). 
 
Рисунок 1.14 - Структури змішаного типу 
 
Залежно від виду структури мережі змінюється й адресація її елементів. 
Застосовуються такі способи адресації: мережа + ідентифікатор пристрою 
(зіркоподібна структура), ідентифікатори джерела/одержувача повідомлень 
(однорідна структура), дерево кластерів джерел/одержувачів повідомлень + 
ідентифікатор пристрою (структури змішаного типу). 
Алгоритми процесу передавання даних оптимізовано під вид вхідного 
трафіку, який може мати такі часові параметри: 
– дані, що передаються через певні проміжки часу у різних напрямках 
(датчики, сенсори, телеметрія); 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 27 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
– дані, що передаються через випадкові інтервали часу в різних напрямках 
(управління освітленням, віконними шторами); 
– випадкова тривала переривчаста передача даних в одному напрямку 
(робота миші або клавіатури ПК). 
 
 
1.3 Перспективні розробки в галузі проектування цифрових пристроїв 
 
Scientech TH-3 (Бездротовий датчик температури і вологості повітря) 
Завдяки маленьким розмірам і бездротовому передаванню даних, ці датчики 
можуть відстежувати температуру і вологість повітря в будь-яких приміщеннях, як- 
от, кімнати, підсобні приміщення і навіть холодильники. Дані, отримані від 
датчиків, використовуються для переходу в режим Тривоги або для керування 
виконавчими пристроями систем домашньої автоматики. 
Датчик температури і вологості повітря ТН-3 спеціально розроблений для 
застосування в бездротовій охоронній системі сигналізації LifeSOS для 
відстеження температури і вологості повітря в будь-яких приміщеннях. 
Особливості: 
– робота датчиків температури та вологості повітря від вбудованої батареї; 
– здатність відстежувати температуру і вологість у будь-яких приміщеннях 
(кімнати, підсобні приміщення, холодильники); 
– відображення на РКІ основного блоку інформації, переданої датчиком 
температури і вологості; 
– економне витрачання електроенергії батареї: датчик передає дані 
автоматично, тільки коли температура або вологість змінюються більш ніж на 1 ºC 
або 3 %. Якщо протягом тривалого часу немає жодних змін, датчик температури та 
вологості передаватиме дані щогодини, для оновлення показів на дисплеї 
основного блоку. У разі появи нових даних, переданих датчиком, основний блок 
відображатиме їх з інтервалом у 5 секунд; 
– режими "Тривога" і "Керування" виконавчими пристроями систем 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 28 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
домашньої автоматики. [13] 
Технічні характеристики бездротового датчика температури та вологості 
повітря Scientech TH-3 представлені в таблиці 1.4. 
Таблиця 1.4 - Технічні характеристики бездротового датчика температури та 
вологості повітря Scientech TH-3 
Особливості передає дані, що зчитуються, з інтервалом у 
30-хвилин по черзі. 
Джерело живлення одна літієва батарея CR-2 
Швидкість оновлення даних 1 раз на 30 с. 
Нижня/Верхня межі -40 ºC/+103 ºC 
температури 
 ±1 ºC у діапазоні від -10 ºC до +50 ºС 
Точність ±2 ºC у діапазоні від -40 ºC до +85 ºС 
±3 ºC у діапазоні від -85 ºC до +103 ºС (не 
рекомендується для тривалої роботи) 
Нижня/Верхня межі вологості 0 % / 100 % 
Точність ±4 % у діапазоні від 20 % до 80 % 
±5 % у діапазоні від 0 % до 100 % 
 
Терморегулятор Thermoreg TI 950 Терморегулятор Thermoreg TI 950 
Термостат TI950 призначений для регулювання кабелів обігріву підлоги. 
Термостат можна програмувати і він регулює температуру кімнати або підлоги на 
підставі автоматично визначених і виміряних значень температури. Значення 
температури можна встановлювати між +5 і +40 градусами. 
TI950 обладнаний внутрішнім кімнатним датчиком і зовнішнім датчиком 
підлоги. Використовуваний датчик можна вибрати з меню налаштувань 
термостата. Термостат можна налаштувати на автоматичний, ручний режим або на 
режим функціонування вихідного дня. Основним призначенням автоматичного 
функціонування є зниження температури вночі та вдень у той час, коли користувач 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 29 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
не потребує більш високої комфортної температури. 
Таким чином, також можна заощадити використовувану енергію. В 
автоматичному функціонуванні є чотири програмовані тимчасові інтервали на 
добу, в яких налаштовується температура і тривалість часового інтервалу 
програмуються окремо. Тимчасові інтервали названі таким чином: "Ранок", 
"Відсутність", "Вдома", "Ніч". Заводське налаштування підходить для багатьох 
ситуацій. У ручному режимі можна обійти автоматичне функціонування, і тоді 
буде постійно використовуватися тільки налаштована температура. У режимі 
вихідного дня можна тимчасово знизити температуру, наприклад на час свят, коли 
потреба в опаленні менша. [14] 
Технічні характеристики терморегулятора Thermoreg TI 950 представлені в 
таблиці 1.5. 
 
Таблиця 1.5 - Технічні характеристики терморегулятора Thermoreg TI 950 
Напруга 230 В пер. струму +10/-15 %, 50/60Гц 
Витрата потужності пристрою 0,8 Вт 
Макс. навантаження 16 А, 3600 Вт 
Макс. запобіжник 16 А 
Зона налаштування +5°С...+40 °С 
Гістерезис 0,5 °С 
Розміри кабелів 0,5...2,5 кв.мм 
Корпус ІП 21 
Датчик 12 кОм 
Використовувана температура +10 °С...+50 °С 
Розміри 71 × 71 × 54 мм 
Гарантія 3 роки 
Термін служби терморегулятора 5 років 
 
 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 30 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Бездротова система вимірювання температури та вологості в закритих 
приміщеннях testo Saveris-2 
Бездротова система WiFi-логерів даних testo Saveris-2 є сучасним рішенням 
для моніторингу параметрів мікроклімату на складах і у виробничих зонах. 
Система складається з WiFi-логерів даних і хмарного сховища виміряних значень. 
WiFi- логгери даних Saveris-2 забезпечують надійні вимірювання і запис 
параметрів температури і вологості через задані проміжки часу, і згодом передають 
виміряні значення по WiFi-каналу в хмарне сховище даних TestoCloud. Збережені 
значення можуть можуть бути переглянуті та проаналізовані в будь-якому місці та 
з будь-якого пристрою, підключеного до Інтернету (смартфона, планшета або ПК). 
Сигнали про порушення встановлених меж негайно передаються по e-mail або 
опціонально у вигляді SMS. Самі логгери мають вбудовану пам'ять на 10 000 
виміряних значень на кожен вимірювальний канал. На дисплеї приладів 
відображається інформація про поточні виміряні значення, встановлені межі та їхнє 
порушення, мін./макс. виміряних значень і заряд батареї, що залишився. Термін 
служби батареї становить 24 місяці, при цьому заміна батареї може бути здійснена 
користувачем самостійно. 
Легка у використанні вимірювальна система testoSaveris-2 забезпечує 
високу надійність вимірювань і економію часу під час бездротового передавання 
даних на контрольний пристрій, завдяки автоматизованому запису виміряних 
значень. 
Просте встановлення спеціального програмного забезпечення для системи 
вимірювання testo Saveris-2 відбувається протягом кількох секунд. 
Є можливість створення автоматизованих звітів у форматі PDF. Базовий 
елемент (доггер даних) системи testo Saveris-2: 
– пам'ять: 40 000 значень на канал (усього - 10 160 000 000 значень); 
– радіочастота: 2,4 ГГц (для РФ); 
– інтерфейс: USB, радіо, Ethernet. 
– передача сповіщень: макс. 1 А, макс. 30 Вт, макс. 60/25 В 
постійного/змінного струму, контакт NC або NO. Під'єднуваний радіозонд: через 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 31 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
радіоінтерфейс можна під'єднати макс. 15 зондів, через інтерфейс 
радіо/маршрутизатор/конвертора/Ethernet можна під'єднати всього 150 зондів, 
макс. каналів - 254. 
– дисплей: графічний дисплей, 4 кнопки керування; 
– робоча температура: від -10 °C до +50 °C; 
– температура зберігання: від -40 °C до +85 °C; 
– габарити: 225 × 150 × 49 мм; 
– вага: 1510 г. Клас захисту корпусу: IP42; 
– живлення (необхідне): 6,3 В постійного струму від джерела живлення; 24 
В постійного/змінного струму від роз'єму/гвинтових клем, споживана 
потужність<4W; 
– акумулятор: літієво-іонна батарея (для забезпечення збереження даних 
і аварійного надсилання SMS у разі відмови живлення). [15] 
  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 32 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
2 Обґрунтування технічного завдання 
 
У попередньому розділі зроблено огляд первинних вимірювальних 
перетворювачів температури, вологості й тиску та розглянуто аналогічні пристрої. 
У результаті огляду виявлено технічні характеристики та параметри, яким 
має відповідати розроблюваний пристрій. Як ЧЕ проектованого пристрою було 
обрано ПВП температури, вологості та тиску. Визначено, що використання 
бездротових мереж для передавання даних є актуальною галуззю інженерних 
розробок. 
 
 
 
  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 33 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми системи 
 
 
3.1 Функціональна схема датчика 
Узагальнену функціональну схему вимірювального пристрою представлено 
на рисунку 3.1. 
 
Рисунок 3.1 - Узагальнена функціональна схема вимірювального пристрою 
Вимірювана фізична величина перетворюється на сенсорі на вихідний 
сигнал струму або напруги відомих діапазонів, який АЦП перетворює на цифровий 
код, що передається в мікроконтролер. Оброблений у мікроконтролері цифровий 
сигнал надходить до системи керування через інтерфейс бездротового передавання 
інформації. Функціональна схема проектованого приладу зображена на рисунку 3.2. 
 
 
 
Рисунок 3.2 - Функціональна схема цифрового датчика 
 
На вході МК аналогові сигнали тиску (від 50 до 3000 кПа), вологості (від 0 
до 100 %) і температури (від -55 до + 125 °C). 
Модуль АЦП обробляє аналогові сигнали вимірювального блоку, 
пропорційні вхідній вимірюваній величині (тиску, вологості та температурі), і 
перетворює їх у цифрові коди. Мікроконтролер приймає цифрові сигнали з модуля 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 34 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
АЦП, виконує корекцію і лінеаризацію характеристики сенсорів, розраховує 
скориговане значення вихідного сигналу датчика та надсилає його інтерфейсом 
UART на приймально- передавальний пристрій ZigBee. Приймач ZigBee 
призначений для передавання вимірювань через бездротовий інтерфейс на 
віддалену систему керування. 
 
 
3.2 Вибір і обґрунтування апаратного забезпечення 
Вибір мікроконтролера 
Для отримання найкращих економічних показників при збереженні високих 
метрологічних параметрів засобу вимірювання, раціональніше використовувати 
мікроконтролер із вбудованим АЦП. Для вимірювання температури за допомогою 
термопари потрібно використовувати точні АЦП. Прецизійний і правильний 
вбудований АЦП має мікроконтролер 1986ВЕ4У. 
1986ВЕ4У - МК із вбудованою Flash-пам'яттю програм, який побудований 
на базі процесорного RISC ядра з низьким споживанням ARM Cortex-M0, 
реалізований на одному кристалі (рисунок 2.3, рисунок 2.4). МК працює на тактовій 
частоті до 36 МГц і містить 128 Кбайт Flash пам'яті та 16 Кбайт ОЗП. Периферія 
містить 8 каналів 24-х бітних незалежних сигма-дельта АЦП. Кожен канал АЦП 
має підсилювач, фазове підстроювання (для корекції фази не гірше 0.1°), а також 
апаратний блок для обчислення середньоквадратичного значення сигналу. Кожен 
канал сигма-дельта АЦП може бути увімкнений або вимкнений незалежно від 
інших каналів, і має окремий канал прямого доступу в пам'ять. Ще один додатковий 
12-бітний АЦП послідовного наближення може бути використаний для 
моніторингу напруги живлення основного або батарейного доменів, а також для 
вимірювання температури або захоплення зовнішнього сигналу. До складу 
мікроконтролера входить 2 UART і 1 SPI інтерфейси. 
 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 35 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
 
Рисунок 3.3 - Мікроконтролер 1986ВЕ4У 
 
 
Рисунок 3.4 - Структурна схема мікроконтролера 1986ВЕ4У 
 
Вбудовані RC генератори HSI (8 МГц) і LSI (40 кГц), зовнішні осцилятори 
HSE (2 ... 16 МГц) і LSE (32 кГц) і схема множення тактової частоти PLL для ядра 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 36 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
дають змогу гнучко налаштовувати швидкість роботи МК. 
Архітектура системою шини за рахунок регулювання частоти периферійних 
блоків дозволяє зменшити споживання всієї системи. Контролер прямого доступу 
в пам'ять DMA дає змогу прискорити обмін інформацією між ОЗП і периферією без 
участі процесорного ядра. 
Вбудований регулятор для формування живлення внутрішньої цифрової 
частини формує напруги 1,8 В і не потребує додаткових зовнішніх елементів. 
Таким чином, для роботи мікроконтролера достатньо однієї зовнішньої напруги 
живлення в діапазоні від 2,2 до 3,6 В. 
Основні характеристики: 
- ARM 32-бітове RISC ядро Cortex™-M0, тактова частота до 36 МГц; 
- множення за один цикл; 
- вбудована енергонезалежна пам'ять програм FLASH типу розміром 128 
Кбайт; 
- вбудоване ОЗП розміром 16 Кбайт; 
- зовнішнє живлення 2,2...3,6 В; 
- вбудований регулятор напруги на 1,8 В для живлення ядра; 
- вбудовані схеми контролю живлення; 
- вбудований домен із батарейним живленням; 
- вбудований RC генератор HSI, що підлаштовується, 8 МГц; 
- вбудований підлаштовуваний RC генератор LSI, 40 КГц; 
- зовнішній осцилятор HSE, 2...16 МГц; 
- зовнішній осцилятор LSE, 32 КГц; 
- вбудований помножувач тактової частоти PLL для ядра; 
- 24-х розрядний сигма-дельта АЦП (до 8 каналів); 
- 12-ти розрядних АЦП (до 8 каналів) з вимірюваним діапазоном вхідної 
напруги від 0 до 3,6 В; 
- 12-ти розрядний ЦАП; 
- контролери інтерфейсів UART, SSP; 
- до 36 користувацьких ліній введення-виведення; 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 37 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
- два блоки 16-ти розрядних таймерів із 4 каналами захоплення подій і 
ШІМ; 
- контролер системної частоти. [18] 
 
Вибір сенсорів 
Сенсор температури 
Цифровий термометр DS18B20 забезпечує від 9-ти до 12-бітних 
температурних вимірювань і має функцію аварійної сигналізації з незалежними 
програмованими користувачем верхніми та нижніми точками спрацьовування, що 
програмуються користувачем. DS18B20 передає по 1-провідній шині, яка, за 
визначенням, вимагає тільки одну лінію передачі даних (і землю) для зв'язку з 
центральним МК. Діапазон вимірюваної температури від -55 до + 125 °C з точністю 
± 0,5 °C. [19] 
Сенсор відносної вологості 
Датчики вологості серії HIH-4010/4020/4021 розроблені спеціально для 
користувачів OEM (Original Equipment Manufacturer). 
Вхідний сигнал для контролера або іншого пристрою стає можливим 
завдяки лінійній вихідній напрузі цього датчика. При споживанні струму всього 
200 мкА серії HIH-4010/4020/4021 ідеально підходять для систем з низьким 
споживанням енергії, з батарейним живленням. Діапазон вимірюваної вологості 
0...100 % з точністю ± 0,5 %. 
Багатошарова конструкція ЧЕ забезпечує чудову стійкість до більшості 
небезпечних чинників, таких як пил, бруд, мастила та загальні хімічні речовини 
навколишнього середовища. [20] 
Сенсор тиску 
Датчик абсолютного тиску BMD040 містить п'єзорезистивний датчик тиску 
і схему для посилення сигналу та температурної компенсації. Обидва компоненти 
інтегровані на одному кремнієвому чипі. Датчик подає аналоговий вихідний 
сигнал, пропорційний напрузі живлення. Діапазон вимірювання тиску 50...3000 
кПа з точністю ± 0,5 кПа. Власна оцінка сигналу виконується конденсаторами 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 38 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
ємністю 10 нФ між VDD і GND та між OUT і GND. [21] 
Вибір модуля ZigBee 
CC2530 - ціново-ефективне одночіпне рішення з малим 
енергоспоживанням, призначене для реалізації з'єднань протоколу IEEE 
802.15.4 point-to-point або мереж типу star чи ZigBee PRO mesh. 
Основні властивості: 
- до 256 кБ флеш-пам'яті з 20 тисячами циклів перезапису для 
підтримки додатків; 
- 8 кБ ОЗП для зберігання даних комплексних додатків і ZigBee-профілів; 
- програмована вихідна потужність передавача (до +4,5 дБм); 
- потужний інтегрований модуль розпізнавання адрес і обробки пакетів; 
- низьке енергоспоживання в режимі приймання та передавання, а 
також численні енергоощадні режими забезпечують довгий час роботи від батарей. 
[22] 
 
3.3 Розробка принципової електричної схеми 
Принципова електрична схема складається з МК DD1 і під'єднаних до нього 
первинних перетворювачів температури, вологості й тиску та приймача DD2. 
МК 1986ВЕ4У працює на тактовій частоті до 36 МГц і містить 128 Кбайт 
Flash пам'яті та 16 Кбайт ОЗП. Периферія містить 8 каналів 24-х бітних незалежних 
сигма-дельта АЦП. До складу МК входить 2 UART і 1 SPI інтерфейси. 
Первинний перетворювач температури підключається до входу МК INP5. 
АЦП використовує внутрішню опорну напругу для вимірювання напруги 
первинного перетворювача температури. Внутрішнє джерело опорної напруги 
використовується через його точність. Первинний перетворювач вологості 
підключається до входу МК INP6, первинний перетворювач тиску підключається 
до входу МК INP7. 
Ядро МК (ARM Cortex M0) - потужне 32-розрядне ARM ядро з вбудованим 
128 Кбайт флеш-пам'яті та 16 Кбайт ОЗП пам'яті, що запускає призначений для 
користувача код, який налаштовує й керує АЦП, обробляє перетворення АЦП від 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 39 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
первинних перетворювачів температури, вологості та тиску. Система введення 
1986ВЕ4У керує вбудованим мультиплексором, який обирає один із сигналів: від 
первинних перетворювачів. Такий підхід дає змогу вимірювати сигнали обох 
датчиків за допомогою одного АЦП. 
Модуль бездротової передачі даних DD2 підключається до МК через 
інтерфейс UART. Для під'єднання до схеми цього модуля потрібно під'єднати 
живлення DVDD2 і GND, а на P1_1 і P1_0 - відповідні виводи UART приймального 
пристрою. З виходу МК РB0 (P1_1) на вхід трансивера передаються керувальні 
команди та дані для передачі бездротовою мережею. А через порт Р0.2 (P1_0) МК 
приймає інформацію від модуля. Порт RESET МК підключений до входу 
RESET_N, використовується для скидання (перезавантаження) DD2. 
Принципова електрична схема та перелік елементів до неї представлені в 
додатку А. 
  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 40 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
4 Розрахунок елементів схеми 
 
 
4.1 Розрахунок похибки вимірювального каналу датчика 
Вимірювальний канал розроблюваної інформаційно-вимірювальної 
системи (далі - ІВС) складається з ПВП (сенсорів температури, вологості й тиску) 
та АЦП. Вимірювальний канал представлено на рисунку 3.1. 
 
 
Рисунок 4.1 - Вимірювальний канал 
 
Проведено розрахунок похибки вимірювального каналу ІІС за 
метрологічними характеристиками компонентів, відповідно до вимог МІ 222-80 
[23]. Розрахунок похибки проведено в номінальних умовах експлуатації. 
Повна похибка ІВС являє собою суму систематичної | ∆c |  і випадкової 
похибок δ | ∆ |  
(5.1)  
 
Повна систематична похибка 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 41 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
∆c = M ∆c + k ×δ ∆c  (5.2)  
 
де M ∆c  - математичне очікування похибок на виході елементів; 
k - коефіцієнт Стьюдента; 
δ ∆c  - середньоквадратичне відхилення (далі - СКВ) систематичної 
складової похибки на виході проектованого датчика. 
СКВ систематичної похибки на виході датчика
 моніторингу навколишнього середовища будемо знаходити: 
σ ∆ = σ 2 (∆c1 )× (A2 × A A 2
3
2
N ) +σ (∆ )× (A A )2
 +σ 2 (∆ )× A2 2
c2 3 N c +σ (∆ )  (5.3)  
N −1 N N
а СКВ випадкової похибки на виході ІІС будемо знаходити: 
σ ∆ = σ 2 (∆c1 )×(A2 × A A 2
3 N ) +σ 2 (∆c2 )×(A 2
3AN ) +σ 2 (∆ 2 2
cN−1 )× AN +σ (∆N )  (5.4)  
Розрахували функції перетворення на кожному елементі: 
3����
����1 = = 0,024���� ⋅ градус−1; 
125°����
3����
����2 = = 0,03���� ⋅ %−1; 
100%
5����
����3 = −6 = 1,667 × 10−6���� ⋅ Па−1; 
3 ⋅ 10 Па
5����
���� = = 2,98 × 10−74 24 ���� ⋅ розряд−1 
2
Математичне очікування M ∆c  всіх елементів вимірювальних каналів 
дорівнює 0. 
Розрахуємо СКВ систематичної похибки: 
1) Сенсор температури:  
Δосн1=±2% = ±0,02В 
Припускаючи рівномірний вид закону розподілу, знайдемо дисперсію 
систематичної складової похибки: 
(хв − х 2
���� = н)
 (5.5)  
24
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 42 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
D (0,02+ 0,02)2
1 = = 6,667×10−5 B
24  
Знайдемо СКВ сенсора: 
σ=√���� (5.6)  
σ (∆c1 ) = 6,667×10−5 = 0,0082B  
2) Сенсор вологості: 
Δосн2 = ±3,5% = ±0,035 В 
Припускаючи рівномірний вид закону розподілу, знайдемо 
дисперсію систематичної складової похибки: 
D (0,035+ 0,035)2
2 = = 2.042×10−4 B
24  
Знайдемо СКВ сенсора: 
σ (∆c2 ) = 2,042×10−4 = 0,0143B  
3) Сенсор тиску: 
Δосн3 = ±4,75% = ±0,0475 В 
Припускаючи рівномірний вид закону розподілу, знайдемо дисперсію 
систематичної складової похибки: 
(0,0475+ 0,0475)2
D3 = = 3,76×10−4 B  
24
Знайдемо СКВ сенсора: 
σ (∆c3 ) = 3,76×10−4 = 0,0194B  
4) АЦП: 
U 5В
∆осн4 =
вх = = 2,98×10−7 В ⋅ розряд−1
224 224  
З (4.5) знайдемо дисперсію систематичної складової похибки АЦП: 
( 2
2,98×10−7 + 2,98×10−7 )
D4 = =1,48×10−4 B  
24
З (4.6) знайдемо СКВ систематичної складової похибки АЦП: 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 43 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
σ (∆c4 ) = 1,48×10−14 =1,217×10−7 B ⋅ розряд−1  
Розрахуємо СКВ систематичної складової похибки вимірювальних каналів 
за (4.3): 
Виходячи з (4.2) визначимо повну систематичну похибку: 
∆ = 0+1,96×1,218×10−7
c = 2,388×10−7 B  
Розрахуємо СКВ випадкової похибки: 
1) У ПВП (температури, вологості, тиску) СКВ випадкової похибки σ (∆)
дорівнюватиме нулю. 
2) АЦП: 
Характеристики АЦП для розрахунку: 
- 24-х розрядний, n = 24 ; 
- час перетворення відліку T = 5×10−5 c ; 
- частота перетворення F = 250Гц . 
Наведене значення дисперсії випадкової похибки АЦП з рівномірною 
шкалою квантування для випадкового сигналу з нормальним розподілом спектра з 
M ∆c = 0 . 
Наведене значення дисперсії результуючої випадкової похибки: 
 
2
σ 2 ( ) 1 σ xT∆ пр
АЦП = + (5.7)  
12×2n 9  
 
Час перетворення: 
Тпр = а ×2n (5.8)  
 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 44 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Дисперсія похідної процесу: 
σ x = Rx (r) = 0
t  (5.9)  
 
Друга похідна кореляційної функції Rx "(τ ) : 
 
a = ( 1+ 2 )×2π ×Fmax  (5.10)  
 
Розрахуємо за (4.7) наведене значення дисперсії результуючої випадкової 
похибки АЦП: 
(( ) 2
1 1+ 2 ×2π ×250×5×10−5 )
σ 2 (∆АЦП ) = 2
12×224 + = 0,00165c
9  
Знайдемо СКВ випадкової складової похибки АЦП: 
 
σ (Δ АЦП ) = 0,00165  = 0,0407 с 
Розрахуємо СКВ випадкової складової похибки вимірювальних каналів за 
(4.4): 
σ (Δ) = 0,0407с 
Виходячи з (4.1) визначимо повну похибку вимірювальних каналів: 
Δ = 2,388 ×10-7 + 1,96 × 0,0407 = 0,0798 
 
 
4.2 Розробка алгоритму роботи 
1.Ініціалізація АЦП. 
МК проводить ініціалізацію АЦП, калібрує його, потім перевіряє його 
готовність зчитувати сигнали. На АЦП необхідно подавати опорну напругу 
живлення 5 В. 
2. Приймання сигналу. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 45 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Система введення 1986ВЕ4У керує вбудованим мультиплексором, який 
обирає один із сигналів: від XP1, XP2, XP3. Такий підхід дає змогу вимірювати 
сигнали трьох датчиків за допомогою одного АЦП. 
3. Оцифрування сигналу. 
АЦП перетворює виміряну напругу в код, для подальшої передачі цього 
коду на МК. АЦП працює у двох режимах (режимі одиночного перетворення і 
постійного перетворення). Одноразове перетворення АЦП може бути ініційоване в 
програмному забезпеченні, встановленням біта 1 регістра ADC0MDE / ADC1MDE 
(ADCxMDE [2:0] = 010). Після завершення одноразового перетворення АЦП 
повертається в режим очікування. 
4. Обробка даних. 
Коли перетворення готове, МК зчитує код, отриманий на АЦП, потім 
перетворює його на величину температури, тиску, вологості. 
5. Передавання даних за інтерфейсом UART. 
Після завершення перетворення МК передає значення за допомогою 
струмового інтерфейсу UART. З виходу мікроконтролера РВ1 (TX) на вхід 
трансивера UРRX передаються керуючі АТ-команди для виведення модуля зі 
сплячого режиму і передавання даних бездротовою мережею. А через порт РВ2 
(RX) мікроконтролер приймає інформацію від радіомодуля (вхідні пакети та 
інформацію про доставку). 
6. Передавання даних мережею ZigBee. 
МК виводить приймач з режиму сну і передає команду AT+CIPSEND по 
інтерфейсу UART. Після отримання цієї команди модуль виводить запрошення ">" 
і переходить у режим приймання даних через UART, після приймання даних 
необхідної довжини передає їх у радіоканал. У разі успішної передачі повертає в 
МК повідомлення "SEND OK", у разі невдачі - повідомлення "ERROR". Довжина 
даних у переданому пакеті до 2048 байт. 
7. Умова завершення вимірювань. 
Під час вимкнення живлення МК перестає подавати сигнали зчитування 
даних на АЦП, система завершує роботу. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 46 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Якщо живлення не вимкнено, проводиться очищення і скидання внутрішніх 
регістрів, вимірювання тривають. Виконання алгоритму триває з пункту 2 
"Приймання сигналу". 
На рисунку 4.1 представлено блок-схему алгоритму роботи МК під час 
вимірювань. 
 
Рисунок 4.1 - Блок-схема алгоритму роботи МК під час вимірювань 
  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 47 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
5 Розробка методики перевірок 
 
5.1 Розробка методики виконання вимірювання 
Велике значення для процесу вимірювань має його правильна організація. 
Будь-яке вимірювання вимагає від виконавця контролю, розуміння та чіткості 
виконання всієї сукупності операцій, спрямованих на виключення або зменшення 
впливу похибок на результат вимірювання. Складність значної частини 
вимірювань та опрацювання їх результатів зумовлює необхідність розроблення 
методик виконання вимірювань (далі - МВВ). 
МВВ - сукупність операцій і правил, виконання яких забезпечує отримання 
результатів вимірювань з відомою похибкою. 
МВВ датчика моніторингу довкілля з ПВП (сенсорами) DS18B20, HIH-4010, 
BMD040. 
МВВ складено відповідно до вимог ГОСТ Р 8.563-2009. [24] 
1. Область застосування 
Дана методика застосовується для моніторингу навколишнього середовища 
у лабораторіях з повірки контрольно- вимірювальних приладів. 
2. Вимога до похибки вимірювань. 
Похибка вимірювань відповідає характеристикам, наведеним під час 
розрахунку похибки під час вимірювання температури, вологості та тиску. 
Повна систематична похибка: ∆ = 2,388×10−7
с В  
СКВ випадкової складової похибки: σ ∆ = 0,0407с  
Повна похибка датчика моніторингу навколишнього середовища: Δ = 0,0798 В. 
Суб'єктивні похибки (що вносяться оператором) відсутні, оскільки прилад 
автоматизований. 
3. Засоби вимірювань, допоміжні пристрої, матеріали, розчини. Датчик із 
первинними сенсорами температури, вологості та тиску. 
Діапазон вимірювання температури від -55 до +125 °C, вологості від 0 до 
100 % і тиску від 50 до 3000 кПа. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 48 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
4. Метод вимірювання. 
Основним методом вимірювання є прямі одноразові вимірювання. Ця 
методика може бути застосована при виконанні таких умов: складові похибки 
відомі, випадкові складові розподілені за нормальним законом, а не виключені 
систематичні, задані своїми межами - рівномірно. 
Складовими похибки прямих одноразових вимірювань є складові похибки 
прями одноразових вимірювань: 
- похибки засобу вимірювання (далі - ЗВ), що розраховуються за їхніми 
метрологічними характеристиками; 
- похибка використовуваного методу вимірювань, яка визначається на 
основі аналізу в кожному конкретному випадку; 
- особиста похибка, яку вносить конкретний оператор. Якщо останні дві 
складові не перевищують 15% похибки СІ, то за похибку результату одноразового 
вимірювання приймають похибку використовуваного СІ. 
5. Умови проведення вимірювань і характеристика вимірюваного 
середовища. 
При виконанні вимірювань дотримуються наступні робочі умови 
експлуатації: 
- температура навколишнього середовища, ºС (від -55 до +125); 
- відносна вологість, % (від 0 до 100); 
- тиск, кПа (від 50 до 3000). 
6. Підготовка до виконання вимірювань. 
Підготовка до виконання вимірювань полягає у здійсненні комплексу заходів 
щодо введення вимірювальної системи в експлуатацію, основними з яких є: 
- проведення повірки ЗВ; 
- проведення зовнішнього огляду датчика і наявності повної 
комплектації; 
- перевірка правильності монтажу відповідно до проектної документації; 
- проведення налагоджувальних робіт; 
- введення системи вимірювань в експлуатацію. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 49 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Під час підготовки необхідно перевірити цілісність корпусу ЗВ. Далі 
необхідно під'єднати датчик моніторингу довкілля до вимірюваного об'єкта. Під 
час під'єднання перевірити, щоб усі контакти і роз'єми були без забруднень, це 
потрібно для кращого контакту СІ з вимірюваним об'єктом. 
7. Виконання вимірювань. 
Пристрій стаціонарно закріплено на стіні в приміщенні, де необхідно 
контролювати температуру, вологість і тиск. Датчик автоматизований, не 
вимагаючи участі оператора, одноразово проводить вимірювання і відсилає дані за 
бездротовою технологією передачі інформації на систему розумний будинок, 
віддалений ПК або інші гаджети користувача, підключені до системи. Далі дані 
обробляються і зчитуються оператором. 
8. Обробка результатів вимірювань. 
Оброблення результатів вимірювань виконується відповідно до Р 50.2.038- 
2004. [25] 
За результат одноразового вимірювання приймати значення величини, 
отримане під час вимірювання. Складові похибки результату вимірювання вважати 
відомими до проведення вимірювання. Передбачається, що відомі систематичні 
похибки виключені. 
Вважати, що розподіл випадкових похибок не суперечить нормальному 
розподілу, а не виключені систематичні похибки, представлені заданими межами 
±Θ, розподілені рівномірно. 
Невизначеність результату вимірювань враховувати як неповне знання 
значення вимірюваної величини, і для кількісного вираження цієї неповноти ввести 
розподіл імовірностей можливих значень вимірюваної величини - параметр, який 
кількісно характеризує точність результату вимірювань. Вважаючи, що розподіл 
імовірностей можливих значень вимірюваної величини не суперечить 
нормальному розподілу. 
Під час визначення довірчих меж похибки або розширеної невизначеності 
для рівня довіри Р результату вимірювання приймати ймовірність, що дорівнює 
0,95. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 50 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Під час обчислень слід користуватися правилами округлення відповідно до 
МІ 1317-2004. [26] 
Похибка результату одноразового вимірювання найчастіше представлена 
невиключеними систематичними похибками і випадковими похибками. 
Похибка СІ визначається на підставі їх метрологічних характеристик, які 
повинні бути вказані в нормативних і технічних документах, відповідно до РД 50-
453-84. [27] 
Довірчі межі випадкової похибки і стандартну невизначеність, оцінювану за 
типом А, результату вимірювання обчислювати таким чином. 
а) Якщо випадкові похибки представлені кількома СКВ, то СКВ результату 
одноразового вимірювання S(Ã) обчислюють за формулою (5.1): 
 
����
�����?̃?��� = ������2����  (5.1)  
����=1
Стандартну невизначеність, оцінювану за типом А, результату 
одноразового вимірювання uA обчислювати за формулою (5.2): 
m
u 2
A = ∑ui,A  (5.2)  
i=1
 
 
де m - число складових випадкових похибок. (12) 
Довірчу межу випадкової похибки результату вимірювання обчислювати за 
формулою (5.3): 
����(����) = ��������/2 × ����(?̃?��) (5.3)  
де ZP/2 - P/2 точка нормованої функції Лапласа, що відповідає ймовірності Р. 
б) Якщо випадкові похибки подано у вигляді довірчих меж, що відповідають 
одній і тій самій імовірності, довірчу межу випадкової похибки результату 
одноразового вимірювання обчислювати за формулою (5.4): 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 51 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
m
ε (P) = ∑ε 2
i (P)  (5.4)  
i=1
в) Якщо випадкові похибки задано у вигляді довірчих меж, що відповідають 
різним імовірностям, спочатку визначити середньоквадратичне відхилення 
результату вимірювання за формулою 5.5: 
����
�����?̃?��� = ������2(��������)/����2��������/2 (5.5)  
����=1
 
 
а потім обчислити довірчі межі випадкової похибки результату 
вимірювання за формулою 5.2. 
За симетричної довірчої похибки результат одноразового вимірювання 
представляти у формі Ã; ±D(P); P або Ã; ±D(P), або Ã; U(P). 
9. Контроль точності результатів вимірювань. 
Для проведення контролю точності результатів вимірювання необхідно 
скористатися більш точними датчиками температури, тиску, вологості з граничною 
похибкою ±0,05 В. 
 
5.2 Розробка методики повірки 
 
1. Операції повірки: 
Під час проведення повірки виконують такі операції: 
- зовнішній огляд; 
- випробування; 
- визначення основної похибки датчика; 
- визначення варіації вихідного сигналу датчика. 
2. Засоби повірки: 
Для повірки приладів повинні застосовуватися такі вимірювальні 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 52 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
прилади та пристрої: 
3. Вимоги до кваліфікації повірника та інших виконавців: 
Під час використання цих методичних вказівок для розроблення окремого 
документа або розділу Технічного опису та інструкції з експлуатації (паспорта), що 
регламентують методику повірки цифрового вимірювального пристрою (далі - 
ЦВП), роботу має виконувати фахівець, який має достатню підготовку в галузі 
метрології та випробувань електронних вимірювальних пристроїв. 
Під час використання цих методичних вказівок безпосередньо для повірки 
ЦІП конкретного типу роботу доцільно виконувати в два етапи, на кожному з яких 
потрібні виконавці різної кваліфікації (можливе виконання роботи одним 
виконавцем за його достатньої кваліфікації). 
Проведення повірки здійснює повірник електровимірювальних або 
радіовимірювальних приладів. 
4. Вимоги безпеки: 
Під час проведення повірки мають бути дотримані загальні вимоги безпеки 
щодо роботи з датчиком моніторингу довкілля, а також вимоги безпеки, викладені 
в експлуатаційних документах повірюваного та еталонних ЗВ. 
5. Умови повірки та підготовка до неї: 
Під час проведення повірки мають бути дотримані такі умови: 
- температура навколишнього повітря 20 ± 5 °С; 
- відносна вологість навколишнього повітря від 30 до 80 %; 
- тиск у приміщенні, де проводять повірку від 0,84 до 1,07 бар; 
- вібрація, тряска, удари, нахили та магнітні поля, окрім земного, що 
впливають на роботу перетворювача, мають бути відсутні; 
6. Проведення повірки: 
6.1 Зовнішній огляд: 
При зовнішньому огляді має бути встановлено відповідність датчика 
моніторингу навколишнього середовища таким вимогам: 
- датчик повинен мати паспорт або документ, що його замінює; під час 
періодичної повірки допускається замість паспорта подавати документ зі 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 53 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
зазначенням межі вимірювань, граничних значень вихідного сигналу, необхідної 
межі допустимої основної похибки і номера, присвоєного підприємством - 
виробником. Довідка має бути підписана метрологічною службою підприємства, 
що експлуатує датчик тиску; 
- на датчику повинна бути табличка с маркуванням, що відповідає 
паспорту або документу, який його замінює; 
- повинна бути забезпечена можливість зняття кришки, що закриває 
клеми контролю і колодку зовнішніх з'єднань; 
- має бути забезпечена можливість регулювання нуля (за всіма 
цифровими вихідними пристроями); 
- різьблення на приєднувальних елементах (перехідних пристроях) не 
повинні мати зірваних ниток. 
6.2 Випробування: 
6.2.1 Під час випробування перевіряють працездатність датчика, 
функціонування коректора нуля (за всіма вихідними пристроями), герметичність 
датчика тиску. 
6.2.2 Працездатність датчика перевіряють, змінюючи вимірювані 
параметри тиску від нижнього граничного значення до верхнього. При цьому має 
спостерігатися зміна вихідної величини на всіх вихідних пристроях. 
6.2.3 Функціонування коректора нуля перевіряють, задавши одне (будь-яке) 
значення вимірюваної величини. Впливаючи на коректор нуля, перевіряють 
наявність зміни вихідної величини на всіх вихідних пристроях. Повертаючи 
коректор нуля в попереднє положення (якщо це допускає конструкція датчика) 
перевіряють наявність зміни вихідного сигналу в протилежний бік на всіх вихідних 
пристроях. 
6.2.4 Перевірку герметичності датчика тиску рекомендується поєднувати з 
операцією визначення основної похибки (п.6.4). 
Методика перевірки герметичності датчика має такі особливості: 
- зміну температури, тиску і вологості визначають за зміною вихідного 
сигналу або показань датчика, що повіряється, увімкненого в систему; 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 54 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
- у разі виявлення негерметичності системи з датчиком, що повіряється, слід 
перевірити окремо систему і датчик. 
6.3 Перевірка ідентифікаційних даних ПЗ: 
6.3.1 Як ідентифікатор ПЗ приймається версія (ідентифікаційний номер) 
ПЗ. Методика полягає в перевірці номера ПЗ датчика за протоколом ZigBee. 
6.3.2 Датчики вважаються такими, що пройшли повірку з позитивним 
результатом, якщо ідентифікатор ПЗ відповідає значенню, зазначеному вище. 
6.3.3 Якщо ці вимоги не виконуються, то датчик вважається непридатним 
до застосування, до експлуатації не допускається, виписується свідоцтво про 
непридатність, подальші пункти методики не виконуються. 
6.4 Визначення основної похибки: 
6.4.1 Основну похибку визначають, встановлюючи за еталонними 
приладами на вході датчика вимірювані температура, тиск і вологість, що 
дорівнюють номінальним. 
За еталонним міліамперметром (або вольтметром) вимірюють значення 
відповідного вихідного сигналу: струму від 4 до 20 мА (або напруги для всіх 
моделей із вихідним сигналом у вигляді напруги). 
6.4.2 Підключення еталонів здійснюють відповідно до експлуатаційної 
документації на ці прилади. 
6.4.3 Перед визначенням основної похибки мають бути дотримані вимоги 
п.4. і, в разі потреби, відкориговано значення вихідного сигналу, що відповідає 
нижньому граничному значенню вимірюваного параметра. 
6.4.4 Основну похибку визначають за п'яти значень вимірюваної величини, 
досить рівномірно розподілених у діапазоні вимірювань, зокрема за значень 
вимірюваної величини, що відповідають нижньому і верхньому граничним 
значенням вихідного сигналу. Інтервал між значеннями вимірюваної величини не 
повинен перевищувати 30% діапазону вимірювань. 
Основну похибку визначають за значення вимірюваної величини, отриманої 
під час наближення до нього як від менших значень до більших, так і від більших 
до менших (під час прямого і зворотного ходу). 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 55 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Перед повіркою за зворотного ходу датчик витримують протягом 1 хвилини 
під впливом верхнього граничного значення вимірюваного параметра, що 
відповідає граничному значенню вихідного сигналу. 
Під час періодичної повірки основну похибку визначають у два цикли: до 
коригування діапазону зміни вихідного сигналу (калібрування) і після коригування 
діапазону. Допускається другий цикл не проводити, якщо експериментально 
визначена в першому циклі основна похибка не перевищує допустимої межі. 
6.4.5 Основну похибку γД у % нормуючого значення обчислюють за 
формулами: 
���� − ����
����Д = ����  
����0������������ (5.6)  
 
���� − ����
���� ���� (5.7)  
Д =  
����0������������
де I - експериментально отримане значення вихідного сигналу на виході 
датчика під час вимірювання струму, мА; 
U - експериментально отримане значення вихідного сигналу на виході 
датчика під час вимірювання напруги, В; 
P - експериментально отримане значення вихідного сигналу на 
показувальних пристроях датчика; 
Ip , Up - відповідно, розрахункові значення струму (мА) і напруги (В). 
Датчик визнають придатним, якщо у всіх перевірених точках модуль 
основної похибки не перевищує максимально допустимого значення основної 
похибки для конкретної моделі датчика. 
 
γ Д ≤ γ осн  (5.8)  
 
Датчик визнають непридатним, якщо хоча б в одній точці модуль основної 
похибки перевищує допустиме значення. 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 56 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
γ Д > γ осн  (5.9)  
 
6.5 Визначення варіації: 
6.5.1 Варіацію вихідного сигналу визначають під час кожного значення 
вимірюваного параметра, що перевіряється, окрім значень, що відповідають 
нижній і верхній межам вимірювань, за показаннями, отриманими під час 
визначення основної похибки. 
6.5.2 Варіацію вихідного сигналу ����Г , у % нормуючого значення 
обчислюють за формулами: 
 
(5.10)  
 
 
(5.11)  
 
 
де I, I* - дійсні значення вихідного сигналу на одній і тій самій точці під час 
вимірювання на виході струму, відповідно, під час прямого і зворотного ходу, мА; 
U, U* - дійсні значення вихідного сигналу на одній і тій самій точці під час 
вимірювання на виході напруги, відповідно під час прямого і зворотного ходу, мВ, В. 
Значення ����г, отримані за вищенаведеними формулами, не повинні 
перевищувати межі її допустимого значення. 
6.5.3 Варіацію вихідного сигналу датчика не визначають, якщо межа її 
допустимого значення менше ніж 0,5 межі допустимої основної похибки. 
6.5.4 Допускається замість визначення дійсного значення варіації 
здійснювати контроль відповідності її гранично допустимим значенням. 
7. Оформлення результатів повірки: 
Позитивні результати первинної повірки датчика оформляють записом у 
паспорті (розділ "Свідоцтво про приймання"), завіреним повірником і засвідченим 
відбитком клейма. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 57 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Позитивні результати періодичної повірки датчика оформляють видачею 
свідоцтва про повірку. 
Позитивні результати періодичної відомчої повірки оформляють у порядку, 
встановленому відомчою метрологічною службою. 
У разі негативних результатів повірки датчик бракують. Під час періодичної 
державної повірки видають повідомлення про непридатність. 
8. Достовірність методики виконання повірки: 
Встановлення допустимої похибки повірки, а також вибір еталонного засобу 
вимірювання за точністю здійснюється за параметрами методики повірки датчика 
моніторингу довкілля. 
Як вихідні дані для встановлення значень параметрів методик повірки 
використовуємо критерії достовірності повірки. 
Основними критеріями достовірності повірки: 
- найбільша ймовірність помилкового визнання придатним будь-якого 
насправді дефектного екземпляра засобів вимірювання Pbam ; 
- відношення найбільшого можливого модуля контрольованої 
характеристики похибки засобів вимірювання, яку може бути помилково визнано 
придатною, до межі її допустимих значень {(δM)}ba. 
Допустимі значення: 
{(δM)ba} = 1,20;  
Pbam = 0,40. 
На підставі зазначених критеріїв достовірності повірки визначимо 
відношення межі допустимого значення похибки повірки до межі допустимого 
значення основної похибки засобів вимірювання - aр , і допустиму похибку повірки ∆ор. 
Граничні значення aр вибираємо з ряду: 1/10; 1/5; 1/4; 1/3; 1/2,5; 1/2. 
У окремому випадку aр є відношенням похибок еталонного засобу 
вимірювання та засобу вимірювання, що повіряється. 
Під час повірки необхідно встановити співвідношення aр , яке забезпечує 
нерівність: 
Pbam ≤ {Pbam}p і {(δM)ba} ≤ {(δM)ba}p (5.12)  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 58 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Це можливо лише за умови порівняння отриманого під час повірки значення 
похибки не з межею допустимого значення похибки засобів вимірювання 
∆ор , а з контрольним допуском ∆оγ , який визначається за (5.13): 
∆ογ = γ ∆op  (5.13)  
де γ - абсолютне значення відношення меж поля контрольного допуску до 
модуля допустимого значення характеристики. 
Значення γ встановлюється на підставі критеріїв достовірності повірки та 
обраного значення aр . 
Для заданих значень {(δM)ba} = 1.20 і Pbam = 0.40 за таблицею 3.1, згідно з МІ 
188-86 [28], проведемо межу області.  
Таблиця 5.1 - Значення γ і (δM)ba 
a  Значення γ і (δM)ba за Pbam , що дорівнює 
р 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 
1/10 0,90 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99 1,00 1,00 
1,00 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,09 1,09 1,10 1,10 
1/5 0,80 0,88 0,91 0,93 0,94 0,96 0,97 0,98 0,99 0,99 1,00 
 1,00 1,08 1,11 1,13 1,14 1,16 1,17 1,18 1,19 1,19 1,20 
1/4 0,75 0,85 0,88 0,91 0,93 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00 
1,00 1,10 1,13 1,16 1,18 1,20 1,21 1,22 1,23 1,24 1,25 
1/3 0,67 0,80 0,85 0,88 0,91 0,93 0,93 0,95 0,97 0,98 1,00 
1,00 1,13 1,18 1,21 1,24 1,31 1,33 1,35 1,37 1,38 1,33 
1/2,5 0,60 0,76 0,82 0,86 0,89 0,91 0,93 0,95 0,97 0,98 1,00 
1,00 1,16 1,22 1,26 1,29 1,31 1,33 1,35 1,37 1,38 1,40 
1/2 0,50 0,70 0,77 0,82 0,86 0,89 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 
1,00 1,20 1,27 1,32 1,36 1,39 1,42 1,44 1,46 1,48 1,50 
 
Отриману межу перенесемо в таблицю 5.2. 
 
 
 
 
 
 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 59 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
 
Таблиця 5.2 - Значення γ і (Pgr)mg 
a  Значення γ і (δM)ba за Pbam , що дорівнює 
р 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 
1/ 
10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
1/5 0,028 0,005 0,002 0,001 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 
1/4 0,067 0,016 0,009 0,005 0,003 0,002 0,001 0,001 0,001 0,000 0,000 
1/3 0,140 0,047 0,027 0,018 0,012 0,009 0,007 0,005 0,004 0,003 0,002 
1/ 
2,5 0,207 0,079 0,047 0,032 0,023 0,019 0,015 0,012 0,009 0,007 0,006 
1/2 0,305 0,133 0,087 0,062 0,045 0,035 0,027 0,023 0,019 0,016 0,013 
Рухаючись по межі області, встановимо значення γ, aр і (Pgr)mg (Таблиця 3.3), 
за яких виконується вимога. 
Таблиця 5.3 - Значення γ, aр і (Pgr)mg 
aр 1/10 1/5 1/4 1/3 1/2.5 1/2 
γ 1 1 0,95 0,85 0,76 0,7 
(Pgr)mg 0 0 0,002 0,027 0,079 0,133 
 
Для повірки датчика моніторингу навколишнього середовища 
рекомендовано використовувати значення мінімум aр = 1/3 , звідси з отриманого 
ряду випливає: 
- середня ймовірність помилкового визнання дефектним придатного датчика 
моніторингу довкілля становить 2,7% (т.к. (Pgr) mg = 0,027); 
- контрольний допуск становить 0,85 допустимої похибки датчика 
моніторингу довкілля, що повіряється, тобто ∆оγ = 0,85∆ор . [29] 
 
 
 
 
  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 60 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
6 Спеціальний розділ 
 
 
6.1 Економічне обґрунтування розробки системи 
Розробка системи моніторингу довкілля з бездротовою передачею даних 
(ІСМД) дозволяє здійснювати ефективний контроль екологічних параметрів у 
режимі реального часу. Цей підхід допоможе підвищити якість моніторингу, 
знизити витрати на обслуговування і покращити оперативність реагування на 
екологічні проблеми. 
1. Актуальність і значущість проекту 
• Екологічна безпека: Забруднення повітря, води та ґрунтів зростає 
внаслідок промислової діяльності та урбанізації. Моніторинг допомагає вчасно 
виявляти проблеми і запобігати катастрофам. 
• Регуляторні вимоги: Дотримання екологічних стандартів є 
обов'язковим для багатьох галузей. Вчасне виявлення та усунення порушень 
дозволяє уникнути штрафів. 
• Громадська обізнаність: Зростання інтересу громадськості до 
екологічних питань стимулює попит на точні екологічні дані. 
2. Технічні аспекти системи 
• Сенсорні модулі: Для вимірювання температури, вологості, 
концентрації СО2, рівня шуму тощо. Наприклад, сенсорний модуль для 
вимірювання концентрації СО2 коштує близько $100. 
• Бездротова передача даних: Використання технологій LoRa, GSM або 
Wi-Fi. Вартість одного GSM модуля становить приблизно $30. 
• Хмарні рішення: Обробка та зберігання даних у хмарних сервісах, 
таких як AWS або Google Cloud. Вартість хмарних сервісів для зберігання і обробки 
даних складає близько $0.023 за ГБ на місяць. 
• Аналітичне ПЗ: Програмне забезпечення для аналізу даних, 
прогнозування та створення звітів. Розробка ПЗ може коштувати від $50,000 до 
$100,000 залежно від складності. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 61 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
3. Економічні вигоди 
• Зменшення експлуатаційних витрат: Зменшення витрат на 
прокладку кабельних мереж. Витрати на кабельну мережу можуть становити 
$5,000 на км, тоді як бездротові рішення значно дешевші. 
• Підвищення ефективності моніторингу: Автоматизація збору та 
аналізу даних знижує трудові витрати на 20-30%. Припустимо, що річні витрати на 
персонал складають $100,000, економія становитиме до $30,000 на рік. 
• Раннє виявлення проблем: Уникнення витрат на ліквідацію наслідків. 
Наприклад, витрати на ліквідацію екологічної катастрофи можуть сягати мільйонів 
доларів. 
• Покращення екологічної репутації: Використання сучасних 
технологій підвищує довіру громадськості та інвесторів, що може сприяти 
збільшенню доходів на 5-10%. 
4. Фінансовий аналіз 
• Витрати на розробку та впровадження: 
o Закупівля сенсорів (100 сенсорів по $100) - $10,000 
o Модулі бездротової передачі даних (100 модулів по $30) - $3,000 
o Хмарні сервіси (10 ГБ даних на місяць) - $276 на рік 
o Розробка ПЗ - $75,000 
o Витрати на інтеграцію та тестування - $20,000 
o Загальні витрати: $108,276 
• Очікувані доходи: 
o Гранти та субсидії - $50,000 
o Зменшення штрафів за порушення екологічних норм - $20,000 на рік 
o Збільшення доходів від покращення репутації - $30,000 на рік 
o Загальні доходи за перший рік: $100,000 
• Період окупності: При річних доходах $100,000, витрати $108,276 
окупляться за трохи більше року. 
5. Ризики та шляхи їх мінімізації 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 62 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
• Технічні ризики: Несправності обладнання можна мінімізувати 
шляхом регулярного технічного обслуговування і використання якісних 
компонентів. Резервний фонд для ремонту - $10,000. 
• Фінансові ризики: Перевищення витрат можна уникнути за 
допомогою детального планування бюджету і регулярного контролю. Резервний 
фонд для непередбачених витрат - $15,000. 
• Регуляторні ризики: Зміни у законодавстві можуть вимагати адаптації 
системи, тому важливо слідкувати за новинами і мати план дій для швидкої 
адаптації. 
Висновки 
Розробка ІСМД є економічно доцільною завдяки підвищенню ефективності 
моніторингу довкілля, зниженню витрат на обслуговування та поліпшенню 
екологічної безпеки. Інвестиції у цю систему окупаються протягом трохи більше 
року і забезпечують довгострокову економічну та екологічну вигоду. 
 
 
6.2 Охорона праці 
Аналіз небезпек та шкідливостей, які виникають у приміщенні 
електротехнічної лабораторії 
Дослідження за темою кваліфікаційної роботи неможливі без використання 
сучасної комп’ютерної техніки. З погляду на це виникає потреба в раціональній та 
безпечній організації праці дослідника під час роботи з комп’ютером, адже деякі 
обчислення та процеси моделювання тривають доволі довгий час, що вимагає 
тривалого споглядання екрану монітора, а це в свою чергу піддає дослідника 
впливу цілої групи шкідливих факторів. До них можна віднести: 
- вплив випромінювання від монітора і від комп’ютера; 
- вплив електромагнітного випромінювання; 
- нераціональна освітленість; 
- висока напруга; 
- ненормований рівень шуму та ін. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 63 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Також мають вплив психофізичні фактори такі як: розумова перенапруга, 
перенапруга зорових і слухових аналізаторів, емоційні перенавантаження, 
монотонність праці, що призводять до стомлення і зниження працездатності. 
Проаналізуємо вплив вище зазначених факторів на здоров’я і 
працездатність дослідника, який працює в лабораторії за комп’ютером. За рівнем 
фізичних навантажень даний вид праці відноситься до категорії Іа. 
Розміри лабораторії становлять: ширина – 4 м, довжина – 6 м, висота стелі 
– 3 м, площа – 24 м2, об’єм – 72 м3. Лабораторія розрахована на чотирьох одночасно 
працюючих осіб. Площа, яка припадає на одного працівника – 6 м2, об’єм – 18 м3, 
що не в повному обсязі відповідає вимогам ДБН В.2.2.28-2010. 
Стіни лабораторії обклеєні світло-жовтими шпалерами, які мають 
коефіцієнт відбиття світла 36-38%, що забезпечує високу освітленість приміщення 
і добре впливає на зір працюючого. 
Істотний вплив на організм працівника лабораторії має мікроклімат. 
Фактичні значення основних факторів мікроклімату наступні: 
1. Температура повітря: 
- в холодний період року – 22-23°С; 
- в теплий період року – 29-30°С. 
2. Вологість повітря: 
- в холодний період року – 50-55%; 
- в теплий період року – 45-50%. 
3. Швидкість руху повітря: 
- в холодний період року – 0,05-0,1 м/с; 
- в теплий період року – 0,1-0,14 м/с. 
Вище наведені фактичні значення задовольняють ДСН 3.3.6.042-99 
«Санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень», за виключенням 
температури в теплий період року. В даному приміщенні необхідно розрахувати та 
змонтувати систему кондиціонування повітря. 
Робочі столи розташовані біля вікон так, що робітник сидить  боком до 
вікна. При цьому забезпечується оптимальне співвідношення яскравості робочих 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 64 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
та навколишніх поверхонь та максимально обмежене відбиття світла від екрану 
монітора. 
Недостатня або надмірна освітленість, нерівномірність освітлення в полі 
зору втомлює очі, призводить до зниження продуктивності праці; при цьому 
зростає потенційна небезпека помилкових дій і нещасних випадків. Надмірна 
яскравість джерел світла може спричинити головний біль, різь в очах, розлад 
гостроти зору; світлові відблиски – тимчасове засліплення. 
Освітлення виробничих приміщень характеризується кількісними та 
якісними показниками. До основних кількісних показників відносяться: світловий 
потік, сила світла, яскравість і освітленість. До основних якісних показників 
зорових умов роботи можна віднести: фон, контраст між об’єктом і фоном, 
видимість. 
Природне освітлення лабораторії здійснюється через вікна. Їх кількість 
становить 2, розмір - 2×1,5 м кожне. Вікна облаштовано жалюзі, що забезпечує 
обмежене відбивання світла від екрану монітора.  
За найменший об’єкт  розрізнення зорової праці приймаємо точку на екрані 
монітору, розмір якої 0,25 мм, що відповідає дуже високому ступеню точності 
зорової праці. Розряд зорової праці – ІІ г, що відповідає великому контрасту об’єкта 
розрізнення та світлому фону. 
Згідно з ДБН В.2.5-28-2018 коефіцієнт природного освітлення (КПО) для 
даного типу зорової праці складає 1,5%. Фактичне значення КПО становить 34 - 
37%, що відповідає ДБН В.2.5-28-2018. 
Штучне освітлення може бути загальним та комбінованим. Загальним 
називають освітлення, при якому світильники розміщуються у верхній зоні 
приміщення (не нижче 2,5 м над підлогою) рівномірно (загальне рівномірне 
освітлення) або з врахуванням розташування робочих місць (загальне локалізоване 
освітлення). Комбіноване освітлення складається із загального та місцевого. Його 
доцільно застосовувати при роботах високої точності, а також, якщо необхідно 
створити певний або змінний, в процесі роботи, напрямок світла. Місцеве 
освітлення створюється світильниками, що концентрують світловий потік 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 65 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
безпосередньо на робочих місцях. Застосування лише місцевого освітлення не 
допускається з огляду на небезпеку виробничого травматизму та професійних 
захворювань. 
В темний час доби лабораторія освітлюється за допомогою восьми 
світильників. Фактичне значення штучного загального освітлення становить 410-
420 лк, а нормативне значення – 400 лк. Отже, рівень штучного освітлення 
відповідає ДБН В.2.5-28-2018. 
Негативна дія ПК у багатьох користувачів виявляється як біль, різь в очах, 
як розмивання контурів об’єкта. Ці явища часто супроводжуються головним болем, 
сонливістю, млявістю. Щоб уникнути цього, необхідно кожні 2 години роботи на 
ПК робити перерву на 10-15 хв. згідно НПАОП 0.00-1.28-10. 
Монітори ПК, якими обладнано лабораторію, відповідають основним 
вимогам безпеки: яскравість дисплея не менше 300 кд/м2, висота символів не менше 
3,8 мм, діагональ екрану не менше 500 мм. 
Згідно ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми допустимих рівнів шуму на 
робочих місцях» нормативне значення еквівалентного рівня звуку при даному виді 
діяльності складає 50 дБА. Головним джерелом шуму є вентилятор охолодження 
блоку живлення ПК. Фактичне значення еквівалентного рівня звуку не перевищує 
нормативного і становить 42-44 дБА. 
Щоб запобігти виникненню хвороб пов’язаних з неправильною посадкою 
людини перед комп’ютером необхідно враховувати ергономічні фактори. 
Довжина робочого столу складає 1,5 м, усі предмети знаходяться в робочій 
зоні дослідника. Висота столу 0,75 м, висота стільця 0,45 м, що відповідає ДСТУ 
8604:2015 «Дизайн і ергономіка. Робоче місце для виконання робіт у положенні 
сидячи. Загальні ергономічні вимоги». Стілець має бути такої висоти, щоб 
максимально задовольнити куту між стегнами і хребтом величиною 90°. 
Приміщення лабораторії відноситься до 3 типу приміщень за ступенем 
небезпеки ураження людини електричним струмом: приміщення без підвищеної 
небезпеки (ПУЕ-17), тобто відсутні наступні фактори: висока відносна вологість 
повітря (перевищення 75% протягом тривалого часу); висока температура (більше 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 66 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
350С протягом тривалого часу); струмопровідний пил; струмопровідна підлога.  
Деяке обладнання має металевий корпус, тому згідно ДСТУ Б В.2.5-82-2016 в 
лабораторії необхідно передбачити магістраль захисного заземлення для 
виключення випадку ураження електричним струмом. Електропроводка живлячої 
мережі в даному приміщенні прихованого типу. Для під’єднання комп'ютера до 
мережі 220 В застосовуються мережеві фільтри. 
В лабораторії забезпечуються необхідні заходи запобігання виникнення 
пожежно-небезпечних ситуацій згідно з НАПБ А.01.001-2014 «Правила пожежної 
безпеки України». План евакуації розміщений на стіні, забезпечено вільний доступ 
до нього. Приміщення лабораторії укомплектоване двома порошковими 
вогнегасниками ВП-5у (Правила експлуатації та типові норми належності 
вогнегасників). 
Після проведення детального аналізу приміщення та умов праці за робочим 
місцем, можна зробити висновок, що всі фактори виробничого середовища, крім 
відхилення від нормованих значень температури повітря в теплий період року, 
відповідають своїм нормативним значенням. Тому в приміщенні електротехнічної 
лабораторії необхідно встановити систему кондиціонування повітря. 
 
Розробка системи кондиціонування повітря лабораторії 
Типи кондиціонерів 
Кондиціонер - це пристрій, за допомогою якого вдається істотно підвищити 
рівень зручності і комфорту в приміщенні.  
Всі моделі кондиціонерів різняться типом і основним призначенням. Так, 
наприклад, моделі зима-літо використовуються не тільки для охолодження повітря 
в літній період, але і його нагрівання в зимовий. Кондиціонери звичайного типу 
використовуються тільки для охолодження повітря.  
Кондиціонери зовнішнього типу розраховані на установку у віконний отвір 
або отвір, виконане в стіні. Всі щілини, що з'явилися після проведення установки 
між корпусом приладу, і стіною ретельно зашпаровуються утеплювальні матеріали, 
після чого додатково обробляється герметиком і обробляється шпаклівкою.  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 67 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Важливо відзначити, що прилади такого типу здатні працювати на обігрів 
та охолодження повітря. Якщо потрібно виконувати кондиціювання одночасно в 
декількох приміщеннях, рекомендується розглядати кондиціонери канального 
типу. Розглянуте обладнання працює в режимі рециркуляції.  
Встановлення внутрішніх блоків обладнання виконується під підвісною 
стелею. Перенаправлення повітря виконується за допомогою спеціальних 
повітроводів. Повітря забирається з приміщення через ґрати забірного типу, а через 
розподільну ґрати, подається в приміщення з кондиціонером.  
Найпоширенішим варіантом кондиціонерів сьогодні вважаються спліт-
системи. Перевага даного виду обладнання у високій економічності, 
продуктивності, ергономічності і безшумністю в роботі. Складається спліт-система 
з двох окремих блоків: зовнішній і внутрішній. Основний (робочий) блок 
встановлюється зовні приміщення, внутрішній блок через який надходить повітря, 
встановлюється всередині приміщення. Між собою блоки з'єднані теплоізоляційної 
трубою.  
Спліт-системи інверторні, потужність роботи пристрою регулюється 
автоматично, завдяки чому задана температура підтримується з максимальною 
точністю, підвищується економічність і довговічність в експлуатації. Головна 
перевага безшумність в роботі, що сприяє підвищенню рівня комфорту в 
приміщенні. Економічність пояснюється тим, що потужність роботи приладу 
автоматично знижується по мірі наближення до заданої температури. Інвертор 
автоматично перемикається на економічний режим роботи, завдяки чому 
підтримується необхідна температура і знижується витрата електроенергії.  
Спліт-системи напольно-стельового типу встановлюються в тих випадках, 
коли відсутня можливість виконати установку звичайної системи 
кондиціонування. Потужність даного типу обладнання становить від 4 до 15 кВт. 
Обладнання може працювати як на охолодження, так і обігрів подається в 
приміщення повітря. Встановлений усередині приміщення блок спрямовує потік 
повітря вздовж стелі або стіни, завдяки чому охолодження повітря проходить 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 68 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
рівномірно. Важливо зазначити, що внутрішній блок має акуратний зовнішній 
вигляд, що дозволяє виконати його установку на відкритих ділянках стіни.  
Існують і багато інших видів спліт-систем, наприклад касетні або настінно-
стельові, які відрізняються своїми особливостями і перевагами.  
Важливо зазначити, що перш ніж встановити кондиціонер незалежно від 
його типу необхідно розрахувати його потужність, а для цього потрібно знати 
загальну площу приміщення, в якому буде виконуватися встановлення обладнання. 
Розрахунок системи кондиціонування повітря лабораторії 
Електротехнічна лабораторія розташована на 2-му поверсі в південній 
частині 5-ти поверхової будівлі. Приміщення має наступні розміри: довжина –      6 
м, ширина – 4 м, висота – 3 м. Виходячи з даних параметрів, загальна площа 
приміщення становить 24 м2, а об’єм – 72 м3. Лабораторія має однобічне природне 
освітлення, яке забезпечується 2 вікнами. Вікна мають однакові розміри, які 
становлять 1,5 × 2 м, відповідно площа одного вікна становить 3 м2. В роботі 
приймають участь 4 працівника. Категорія робіт – I a (легка робота в сидячому 
положенні). 
Розрахунок системи кондиціонування проводиться для теплого періоду 
року на охолодження, враховуючи те, що температура повітря приміщення в 
теплий період року (30-32°С) не відповідає нормативним вимогам (22-28°С), а 
максимальна температура зовнішнього повітря становить 35°С. 
Розрахунок теплонадходження в приміщення 
1) Теплонадходження від сонячної радіації залежать від площі та 
розташування вікон:   
                                               Q1 = SВ ⋅QВ,                                                     (6.1) 
 
де SB – площа вікна, м2, 
    QB – теплонадходження через вікна, яке для південної орієнтації 
становить 260 Вт/м2. 
 
Q1 = SВ ⋅QВ = 2 ⋅3 ⋅ 260 =1560 (Вт),  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 69 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
 
Враховуючи те, що на вікнах встановлені жалюзі, які забезпечують 
регулювання природного освітлення в приміщенні, необхідно отриманий результат 
Q1 поділити на коефіцієнт 1,4. 
 
Q 1560
1 = =1114 (Вт).
1,4  
 
2) Теплонадходження через зовнішню стіну: 
 
                                                Q2 = (S−SВ )⋅QC ,                                       (6.2) 
 
де S – площа зовнішньої стіни, м2, 
   SB – площа вікна, м2, 
  QC – теплонадходження від стіни, яке для південної орієнтації становить 
28 Вт/м2. 
 
Q2 = (S−SВ )⋅QC = (3 ⋅6 − 2 ⋅3)⋅ 28 =12 ⋅ 28 = 336 (Вт). 
 
3) Теплонадходження від штучного освітлення розраховуються з 
врахуванням того, що лабораторія обладнана 8 світильниками OKN-236, кожен з 
яких має 2 люмінесцентні лампи типу TLD, потужністю 36 × 2 Вт.  
 
Q N ⋅ (n ⋅P)
3 = ,
                                                 k                                              (6.3)        
 
де k – коефіцієнт для люмінесцентних ламп (k=1,16),  
N – кількість світильників, 
n – кількість ламп,  
P – потужність лампи, Вт. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 70 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
 
Q 8 ⋅ (2 ⋅36) 576
3 = = = 496 (Вт).
1,16 1,16  
 
Теплонадходження від штучного освітлення менші за теплонадходження 
від сонячної радіації, тому вони не враховуються при подальших розрахунках. 
4) Теплоємність повітря: 
 
                                               Q4 = (V − VМ )⋅ k,                                            (6.4)  
 
де V – об’єм приміщення, м3, 
   VМ – об’єм, який займають меблі, м3, 
      k – для офісного приміщення складає 6 Вт/м3. 
 
Q4 = (72 − 2 ⋅ 4 ⋅3)⋅6 = (72 − 24)⋅6 = 288 (Вт).  
 
5) Теплонадходження від людей. Враховуючи, що працівники займаються 
легкою роботою в сидячому положенні: Q5 = 4·130=520 Вт 
6) Теплонадходження від техніки:       
      Персональні комп’ютери (4 шт.) – Q6 = 4·300=1200 Вт  
  Лазерний принтер (1 шт.) – Q7 = 400 Вт 
Загальне  теплонадходження: 
 
                                Qзаг = Q1 + Q2 + Q4 + Q5 + Q6 + Q7 ,                         (6.5) 
Qзаг =1114+ 336+ 288+ 520+1200+ 400 = 3858(Вт).  
 
Для підтримки оптимальної температури в приміщенні лабораторії 
необхідний кондиціонер з потужністю на охолодження не менше 4 кВт. Виходячи 
з цього, був обраний кондиціонер OLMO OSH-18LH. 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 71 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
 
 
Рисунок 6.1 - Зовнішній вигляд кондиціонера OLMO OSH-18LH 
 
Технічні характеристики кондиціонера OLMO OSH-18LH 
- Рекомендована площа приміщення - до 45 кв. м; 
- Тип компресора - звичайний; 
- Тип фреону - R22; 
- Холодопродуктивність - 4,55 кВт; 
- Теплопродуктивність - 5,2 кВт; 
- Рівень шуму, внутрішній блок - 40 дБ; 
- Рівень шуму зовнішній блок - 53 дБ; 
- Режими роботи - обігрів, охолодження. 
Додаткові характеристики 
- Функції - 24-годинний таймер на включення і виключення, авторестарт; 
- Фільтри тонкого очищення - активний вугільний фільтр; біоензимний; 
іонно-срібний; фотокаталітичний; 
- Споживана потужність обігрів/охолодження - 1,7/1,8 кВт; 
- 4-х секційний теплообмінник з біопокриттям; 
- Автоматична зміна режимів роботи;  
- Захист від нестабільного електроживлення; 
- Компресор - Toshiba роторний; 
- Габарити внутрішнього блоку - 29,8х94х20 см; 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 72 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
- Габарити зовнішнього блоку - 54х84,8х32 см; 
- Вага внутрішнього блоку - 10 кг; 
- Вага зовнішнього блоку - 43 кг. 
Враховуючи особливості кожного з розглянутих типів кондиціонерів, 
оптимальним рішенням для реалізації системи кондиціонування повітря в 
приміщенні лабораторії стала настінна спліт-система. 
Основні переваги OLMO OSH-18LH: оптимальне охолодження та 
нагрівання, низький рівень шуму, компактний зовнішній блок, зручний 
технологічний монтаж, технологія DC Inverter. Технологія DC Inverter дозволяє 
кондиціонеру не тільки в 2 рази швидше охолоджувати або нагрівати повітря в 
приміщенні, а й більш точно підтримувати заданий температурний режим. 
Обраний кондиціонер здатний забезпечити підтримку нормованих значень 
температури повітря в теплий період року та створити комфортне середовище для 
продуктивної праці в робочій зоні електротехнічної лабораторії. 
 
 
  
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 73 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Висновок 
 
 
Під час виконання випускної кваліфікаційної роботи було отримано 
такі результати: 
1. Проведено огляд принципів роботи первинних перетворювачів 
температури, тиску, вологості та розглянуто аналогічні пристрої. 
2. Розроблено функціональну схему приладу. 
3. Розроблено принципову електричну схему приладу. 
4. Розроблено метрологічне забезпечення цифрового датчика 
(розраховано похибку вимірювального каналу, створено методику виконання 
вимірювання та методику повірки). 
5. Розроблено алгоритм роботи мікроконтролера під час виконання 
вимірювань. 
6. Охарактеризовано економічну доцільність проєкту та безпеку 
життєдіяльності під час роботи з пристроєм. 
 
Арк 
М-204ск.024.415.001 ПЗ 74 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата