Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности
Цель работы заключается в создании распре-деленной системы контроля качества различных напитков на разных стадиях их производства. Мета роботи полягає у створенні розподіленої системи контролю якості різноманітних напоїв на різних стадіях їх виробництва. The work aim is to develop the distributed qu...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
|---|---|
| Дата: | 2019 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2019
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168480 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности / В.А. Романов, А.В. Вороненко, И.Б. Галелюка // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2019. — № 18. — С. 74-78. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859808767869190144 |
|---|---|
| author | Романов, В.А. Вороненко, А.В. Галелюка, И.Б. |
| author_facet | Романов, В.А. Вороненко, А.В. Галелюка, И.Б. |
| citation_txt | Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности / В.А. Романов, А.В. Вороненко, И.Б. Галелюка // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2019. — № 18. — С. 74-78. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| description | Цель работы заключается в создании распре-деленной системы контроля качества различных напитков на разных стадиях их производства.
Мета роботи полягає у створенні розподіленої системи контролю якості різноманітних напоїв на різних стадіях їх виробництва.
The work aim is to develop the distributed quality control system for various beverages on different stages of their manufacturing.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:18:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
74 Комп'ютерні засоби, мережі та системи. 2019, № 18
Применение беспроводных сенсорных сетей
в пищевой промышленности
В.А. Романов, А.В. Вороненко, И.Б. Галелюка
Институт кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины,
03187, г. Киев, проспект Академика Глушкова, 40, VRomanov@i.ua
V. Romanov, O. Voronenko, I. Galelyuka
APPLICATION OF WIRELESS SENSOR
NETWORKS IN FOOD INDUSTRY
Abstract. Food and beverage production requires quality con-
trol on all stages of complicated technological process. Consid-
ering that beverages, namely alcoholic drinks, beer, drinking
water, juices and others belong to mass products, so not only
the large well-equipped manufactures, but a large number of
small manufactures produce them. Very often, the last ones
have no necessary control and measurement equipment that
results in not guaranteed quality of final products. The work
aim is to develop the distributed quality control system for
various beverages on different stages of their manufacturing.
This aim can be achieved by development and creation of multi-
biosensors and sensor networks, based on which it is proposed
to create the distributed quality control systems. Proposed
control and measurement equipment is based on two technolo-
gies: technology of biological multisensors and technology is
Internet of Things technology, based on wireless sensor net-
works. The combination of these technologies made it possible
to create enough simple control and measurement equipment,
which gives possibility to control the parameters of beverages
on all stages of production. The distributed quality control
system is wireless sensor network, which is based on ZigBee
protocol and contains a large number of wireless measuring
nodes and one network coordinator. Network coordinator inte-
grates wireless nodes into network, supports the operation of
whole network, in certain time intervals checks network state,
adds new wireless nodes, manages and conducts the measure-
ments, stores and primary processes the data. Wireless sensor
nodes can operate as part of network, based on ZigBee proto-
col, and as well as autonomous sensors, using Bluetooth proto-
col beyond the network. In the last case, the user can manage
the wireless measuring node and receive data from it, using the
mobile phone or tablet. Measuring node contains several bio-
sensors. Each biosensor is made on the base of electrochemical
element, which contains, for example, platinum electrode placed
in glass tube. A membrane, covered with certain enzyme, closes
up the glass tube. The main purpose of enzyme is to pass the
ions of ingredient, concentration of which should be measured
by biosensor, to the electrode surface. Accordingly, one wire-
less measuring node, which contains several biosensors
with different enzymes, canmeasure concentration of several
various components in beverage on any stage of its production.
В.А. РОМАНОВ, А.В. ВОРОНЕНКО, И.Б. ГАЛЕЛЮКА,
2019
Key words: wireless sensor network, Internet of Things, Indus-
trial Internet of Things.
Аннотация. Цель работы заключается в создании распре-
деленной системы контроля качества различных напитков
на разных стадиях их производства. Достичь эту цель
можно путем разработки и изготовления мультибиосен-
соров и сенсорных сетей, на основе которых предложено
строить распределенные системы контроля. Распределен-
ная система контроля представляет собой беспроводную
сенсорную сеть, построенную на основе протокола ZigBee,
содержащая в своем составе большое количество беспро-
водных измерительных узлов, а также координатор сети.
Ключевые слова: беспроводная сенсорная сеть, интернет
вещей, промышленный интернет вещей.
Анотація. Виробництво харчових продуктів і напоїв пот-
ребує контролю якості продукції на усіх етапах складного
технологічного процесу. Враховуючи, що напої, зокрема,
вино-горілчані вироби, коньяки, пиво, питна вода, соки та
багато інших, відносять до масової продукції, то її виго-
товленням займаються не тільки великі добре обладнані
виробництва, але і багато невеликих виробників. Часто
останні не мають необхідного контрольно-вимірювального
обладнання, що часто зумовлює не гарантовану якість
кінцевої продукції. Мета роботи полягає у створенні роз-
поділеної системи контролю якості різноманітних напоїв
на різних стадіях їх виробництва. Досягнути цю мету
можна через розроблення та виготовлення мультибіосен-
сорів і сенсорних мереж, на основі яких запропоновано
будувати розподілені системи контролю. В основу запро-
понованого контрольно-вимірювального обладнання покла-
дено дві технології: технологія біологічних мультисенсорів
і технологія Інтернету речей на базі бездротових сенсор-
них мереж. Об'єднання цих двох технологій дало можли-
вість створити досить просте контрольно-вимірювальне
обладнання, яке здатне контролювати параметри напоїв
на всіх етапах їх виробництва. Розподілена система конт-
ролю являє собою бездротову сенсорну мережу, яку побу-
довано на основі протоколу ZigBee і яка містить у своєму
складі велику кількість бездротових вимірювальних вузлів,
а також координатор мережі. Координатор мережі здій-
снює об'єднання бездротових вузлів у мережу, підтримує
роботу цілої мережі, через певні інтервали часу перевіряє її
стан, додає нові вузли у мережу, керує вимірюваннями,
зберігає та попередньо обробляє дані вимірювань. Бездро-
тові вимірювальні вузли можуть функціонувати як в складі
мережі на основі ZigBee протоколу, і так як автономні
сенсори, застосовуючи протокол Bluetooth. В останньому
ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Computer means, networks and systems. 2019, N 18 75
випадку користувач може керувати бездротовим вимірю-
вальним вузлом та отримувати від нього дані за допомо-
гою мобільного телефону або планшету. Вимірювальний
вузол містить кілька біосенсорів. Кожний біосенсор вико-
нано на основі електрохімічного елемента, який містить,
наприклад, платиновий електрод, поміщений у скляну тру-
бку, яку закривають мембраною і на поверхню наносять
відповідний фермент. Основним призначенням ферменту є
пропускання на поверхню електроду іонів інгредієнту,
концентрацію якого слід виміряти цим біосенсором. Відпо-
відно, один бездротовий вимірювальний вузол, який міс-
тить кілька біосенсорів з різними ферментами, може
вимірювати вміст кількох різних складників у напої на
будь-якому етапі його виробництва.
Ключові слова: бездротова сенсорна мережа, інтернет
речей, промисловий інтернет речей.
Введение. Производство пищевых продук-
тов, в частности, напитков, таких как вино-
водочные изделия, коньяки, пиво, питьевая вода,
соки и многих других требует контроля качества
продукции на всех этапах сложного технологи-
ческого процесса. Учитывая, что перечисленные
напитки относят к продуктам массового потреб-
ления, их производством занимаются не только
крупные хорошо оснащенные производства, но и
множество мелких производителей. Последние,
как правило, не обладают необходимым кон-
трольно-измерительным оборудованием, что
отражается на качестве их продукции и не поз-
воляет им выйти на международные рынки. Для
сравнения отметим, что на украинском рынке
вина кроме крупных винодельческих компаний
присутствует несколько десятков фермерских
хозяйств с сертифицированной продукцией, в то
время как во Франции количество фермерских
хозяйств, поставляющих вина на мировой ры-
нок, составляет несколько десятков тысяч. При
этом потенциал украинских фермеров сравним с
потенциалом аналогичных хозяйств во Франции.
Поэтому обеспечение технологических процес-
сов производства различных напитков в Украине
достаточно простым и недорогим контрольно-
измерительным оборудованием может суще-
ственно увеличить объемы производства их в
Украине, повысить качество конечной продук-
ции и её конкурентоспособность.
В основу контрольно-измерительного обо-
рудования могут быть положены две новые тех-
нологии. Первой является технология биологи-
ческих мультисенсоров [1], которая успешно
развивается в Институте молекулярной биологии
и генетики НАН Украины [2]. Вторая техноло-
гия – технология Интернета вещей, в основе
которой находятся беспроводные сенсорные
сети. Разработанные в Институте кибернетики
имени В.М. Глушкова беспроводные сенсорные
сети сейчас широко применяются в аграрной
отрасли и при экологическом мониторинге [3].
На основе объединения этих двух технологий
может быть создано достаточно простое кон-
трольное оборудование, позволяющее контроли-
ровать необходимые параметры напитков на
всех этапах их производства.
I. Цель работы
Цель работы состоит в создании распреде-
ленной системы контроля качества различных
напитков на разных стадиях их производства.
Достижение этой цели обеспечивается разработ-
кой и созданием мультибиосенсоров и сенсор-
ных сетей, на основе которых предложено стро-
ить распределенные системы контроля.
II. Проектирование распределенной
системы контроля
Биосенсор, разработанный в Институте мо-
лекулярной биологии и генетики НАН Украины,
выполненный на основе электрохимического
элемента, показан на рис. 1.
Он состоит из платинового электрода, по-
мещенного в тонкую стеклянную трубку, вы-
ходное отверстие трубки закрыто мембраной, на
которой находится фермент (рис. 2).
Задача фермента состоит в том, чтобы про-
пускать на поверхность электрода ионы ингре-
диента, концентрация которого измеряется этим
биосенсором. Гребенка таких биосенсоров с
разными ферментами на их входах, подключен-
ных к измерителю через мультиплексор, пред-
ставляет собой мультибиосенсор.
Сенсорные сети с мультибиосенсорами поз-
воляют строить на своей основе распределенные
системы контроля качества напитков в процессе
их производства, причем отдельно на каждой
его стадии. Мультибиосенсоры относятся к
биосенсорам нового поколения [4] и отличаются
высокой чувствительностью и селективностью.
РИС. 1. Биосенсор на основе электрохимического элемента
В.А. РОМАНОВ, А.В. ВОРОНЕНКО, И.Б. ГАЛЕЛЮКА
Комп'ютерні засоби, мережі та системи. 2019, № 18 76
РИС. 2. Фермент, нанесенный на поверхность мембраны
биосенсора
Задача мультибиосенсора заключается в измере-
нии концентрации различных ингредиентов в
тестируемом напитке за короткий промежуток
времени – не более нескольких минут. Выход-
ным сигналом мультибиосенсора является изме-
няющийся ток низкого уровня, максимальное
значение которого не превосходит единиц нано-
ампер. Для включения мультибиосенсоров в
сенсорную сеть разработан аналоговый интер-
фейс, блок-схема которого показана на рис. 3.
Аналоговый интерфейс включает в себя пре-
образователь тока в напряжение, АЦП, узлы
обработки и передачи данных. Все электронные
блоки аналогового интерфейса выполнены на
СБИС ADuCM350, ядром которой является
ARM Cortex процессор с тактовой частотой
16 МГц, содержащий 16-разрядный АЦП с час-
тотой дискретизации 160 кГц. Внешний вид ана-
логового интерфейса с блоками программирова-
ния и отображения данных приведен на рис. 4.
Вместе с мультибиосенсором и приемопере-
датчиком интерфейс представляет беспроводный
сенсорный узел в составе беспроводной сенсорной
РИС. 3. Блок-схема аналогового интерфейса сенсорной сети
РИС. 4. Внешний вид аналогового интерфейса с блоками
программирования и отображения данных
сети. Кроме того, в состав сети входит сетевой
координатор. Архитектура разработанной сен-
сорной сети показана на рис. 5. Первоначально
все беспроводные узлы сенсорной сети были
построены на основе беспроводного микро-
контроллера JN5168 [5].
Каждый узел этой сети включает в себя
32-битный RISC-процессор с тактовой частотой
32 МГц и беспроводной блок, совместимый со
стандартом IEEE802.15.4. В сети использован
стек ZigBee Pro в качестве беспроводного прото-
кола для организации сети и передачи данных.
Основной блок управления данной сети – коор-
динатор, обеспечивающий формирование и ра-
боту сети. Кроме того, координатор предназна-
чен для сбора, обработки, визуализации и пере-
дачи данных в рабочую станцию. Сетевой коор-
динатор дополнительно может поддерживать
связь с облачной средой, Интернетом или систе-
мой более высокого уровня. Разработанная
функциональная схема координатора показана
на рис. 6.
В составе сети координатор обеспечивает ее
конфигурирование, инициализацию, проверку
состояния, управление памятью, измерениями,
связью и визуализацию данных.
Рабочая станция пользователя представляет
собой ПК или ноутбук, оснащенный специальным
ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Computer means, networks and systems. 2019, N 18 77
РИС. 5. Архитектура беспроводной сенсорной сети
РИС. 6. Функциональная схема координатора сенсорной
сети
конвертером ZigBee/USB и прикладным про-
граммным обеспечением для анализа и визуали-
зации данных. Основная цель этого конвертера
состоит в подключении пользовательского ПК
или ноутбука к сети. Такой подход позволяет
пользователю контролировать работу сети и
просматривать измеренные данные на мониторе
компьютера в удобной форме.
Применение беспроводной сенсорной сети
на основе протокола ZigBee для контроля каче-
ства различных напитков не всегда оправдано,
так как связано с подключением пользователь-
ских портативных компьютеров к беспроводной
сети с помощью промежуточного преобразова-
теля ZigBee/USB. В мобильных телефонах или
планшетах отсутствуют стандартные USB-
порты, в тоже время имеются стандартные бес-
проводные адаптеры типа Wi-Fi или Bluetooth.
Кроме того, использование этих портов позволя-
ет в ряде случаев исключить из сети координа-
тор и заменить его мобильным телефоном или
планшетным компьютером. Поэтому в последу-
ющих версиях беспроводной сети было преду-
смотрено использование нескольких беспровод-
ных протоколов, в частности, ZigBee и Bluetooth
5. Отметим, что последний протокол ориентиро-
ван на устройства с низким энергопотреблением,
что важно для эффективного использования бес-
проводных устройств с батарейным питанием.
К преимуществам протокола Bluetooth 5 (и
более поздних версий) относятся следующие. На
открытых территориях обмен данными поддер-
живается на расстоянии 100–150 м, что практи-
чески не уступает протоколу ZigBee. В промыш-
ленных зданиях для производства напитков эф-
фективная дистанция обмена данными составля-
ет 30–35 метров. Кроме того, при необходимости
протокол Bluetooth 5 дает возможность развер-
нуть сеть для площади большего размера, в ко-
торую может включать от сотни до нескольких
тысяч узлов, используя технологию Bluetooth
Mesh. Для этого был выбран беспроводной мик-
роконтроллер типа nRF52840 фирмы Nordic
Semiconductor (рис. 7) [6].
РИС. 7. Внешний вид беспроводного контроллера
nRF52840
Данный микроконтроллер – это многопро-
токольное устройство. Он поддерживает следу-
ющие протоколы: Bluetooth, Thread, ZigBee,
802.15.4 и др. Микроконтроллер выполнен на
основе 32-битного процессора ARM Cortex-M4 с
плавающей запятой и тактовой частотой 64 МГц.
Он имеет цифровые периферийные устройства и
интерфейсы типа SPI и QSPI для сопряжения с
внешней флэш-памятью и монитором, а также
USB-порт для передачи данных и встроенное
зарядное устройство для подзарядки аккумуля-
тора. Переключение протоколов происходит без
перезагрузки аппаратного и программного обес-
печения. Предусмотрено также параллельное
использование разных протоколов. Дополни-
тельное использование протокола Bluetooth бес-
В.А. РОМАНОВ, А.В. ВОРОНЕНКО, И.Б. ГАЛЕЛЮКА
Комп'ютерні засоби, мережі та системи. 2019, № 18 78
проводных сенсорных узлах позволило значи-
тельно расширить функциональные возможно-
сти как отдельных узлов, так и сети в целом.
Обобщенная архитектура разработанной двух-
протокольной беспроводной сенсорной сети
показана на рис. 8.
РИС. 8. Архитектура двухпротокольной беспроводной
сенсорной сети
Таким образом, сенсорные измерительные
узлы могут функционировать в составе сети по
протоколу ZigBee и как отдельные автономные
сенсоры вне сети по протоколу Bluetooth. В по-
следнем случае пользователь может управлять
измерительным узлом и получать от него данные
с помощью мобильного телефона или планшета.
Следует отметить, что пользователь может вза-
имодействовать с отдельным сенсорным узлом,
даже если узел является частью сети.
Выводы. Беспроводные сенсорные сети и
мультибиосенсоры позволяют строить на своей
основе распределенные измерительные системы
для контроля качества различных напитков.
Создание двухпротокольных сенсорных сетей
дает возможность пользователям управлять се-
тью как с помощью программируемых коорди-
наторов, так и планшетов или мобильных теле-
фонов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Pilas J., Yazici Y., Selmer T., Keusgen M., Schöning M.
Application of a Portable Multi-Analyte Biosensor for Or-
ganic Acid Determination in Silage. Sensors (Basel). 2018
May; 18(5). doi: 10.3390/s18051470
2. Zinchenko O.A., Shkotova L.V., Kulynych T.U., Zinki-
na O.O., Soldatkin A.P. Improvement of amperometric
transducer selectivity using nanosized phenylenediamine
films. Nanoscale Research Letters. 2017. Vol. 12. N 594.
3. Palagin O., Romanov V., Galelyuka I., Hrusha V., Voro-
nenko O. Wireless smart biosensor for sensor networks in
ecological monitoring. Proceeding of the 9th IEEE Inter-
national conference on "Intelligent Data Acquisition and
Advanced Computing Systems: Technology and Applica-
tions", IDAACS'2017, September 21–23, 2017, Bucharest,
Romania. 2017. Vol. 2. P. 679–683.
4. Shkotova L., Pechniakova N., Kukla O., Dzyadevych S.
Thin-film amperometric multibiosensor for simultaneous
determination of lactate and glucose in wine. Food Chem-
istry. 2016. 197. P.972–978.
5. https://www.nxp.com/products/wireless/proprietary-ieee-
802.15.4-based/zigbee-and-ieee802.15.4-wireless-
microcontroller-with-256-kb-flash-32-kb-ram:JN5168
(Останній доступ: вересень 2019).
6. https://www.nordicsemi.com/Products/Low-power-short-
range-wireless/nRF52840 (Останній доступ: вересень 2019).
REFERENCES
1. Pilas J., Yazici Y., Selmer T., Keusgen M., Schöning M.
Application of a Portable Multi-Analyte Biosensor for Or-
ganic Acid Determination in Silage. Sensors (Basel). 2018
May; 18(5). doi: 10.3390/s18051470
2. Zinchenko O.A., Shkotova L.V., Kulynych T.U., Zinki-
na O.O., Soldatkin A.P. Improvement of amperometric
transducer selectivity using nanosized phenylenediamine
films. Nanoscale Research Letters. 2017. vol. 12, art. №. 594.
3. Palagin O., Romanov V., Galelyuka I., Hrusha V., Voro-
nenko O. Wireless smart biosensor for sensor networks in
ecological monitoring. Proceeding of the 9th IEEE Inter-
national conference on "Intelligent Data Acquisition and
Advanced Computing Systems: Technology and Applica-
tions", IDAACS'2017, September 21–23, 2017, Bucharest,
Romania, vol. 2, pp. 679–683.
4. Shkotova L., Pechniakova N., Kukla O., Dzyadevych S.
Thin-film amperometric multibiosensor for simultaneous
determination of lactate and glucose in wine. Food Chem-
istry. 2016, 197:972-978.
5. https://www.nxp.com/products/wireless/proprietary-ieee-
802.15.4-based/zigbee-and-ieee802.15.4-wireless-
microcontroller-with-256-kb-flash-32-kb-ram:JN5168
(last accessed: Sept 2019).
6. https://www.nordicsemi.com/Products/Low-power-short-
range-wireless/nRF52840 (last accessed: Sept 2019).
Получено 30.10.2019
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-168480 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:18:02Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Романов, В.А. Вороненко, А.В. Галелюка, И.Б. 2020-05-03T12:34:56Z 2020-05-03T12:34:56Z 2019 Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности / В.А. Романов, А.В. Вороненко, И.Б. Галелюка // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2019. — № 18. — С. 74-78. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168480 Цель работы заключается в создании распре-деленной системы контроля качества различных напитков на разных стадиях их производства. Мета роботи полягає у створенні розподіленої системи контролю якості різноманітних напоїв на різних стадіях їх виробництва. The work aim is to develop the distributed quality control system for various beverages on different stages of their manufacturing. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Комп’ютерні засоби, мережі та системи Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности Application of wireless sensor networks in food industry Article published earlier |
| spellingShingle | Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности Романов, В.А. Вороненко, А.В. Галелюка, И.Б. |
| title | Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности |
| title_alt | Application of wireless sensor networks in food industry |
| title_full | Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности |
| title_fullStr | Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности |
| title_full_unstemmed | Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности |
| title_short | Применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности |
| title_sort | применение беспроводных сенсорных сетей в пищевой промышленности |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168480 |
| work_keys_str_mv | AT romanovva primeneniebesprovodnyhsensornyhseteivpiŝevoipromyšlennosti AT voronenkoav primeneniebesprovodnyhsensornyhseteivpiŝevoipromyšlennosti AT galelûkaib primeneniebesprovodnyhsensornyhseteivpiŝevoipromyšlennosti AT romanovva applicationofwirelesssensornetworksinfoodindustry AT voronenkoav applicationofwirelesssensornetworksinfoodindustry AT galelûkaib applicationofwirelesssensornetworksinfoodindustry |