Как сетевые датчики и IoT могут помочь при кризисе качества воздуха

Загрязнение, вызванное современным индустриальным обществом, стало серьезной проблемой. В этой статье рассказывается о том, как распределенные сети недорогих интеллектуальных датчиков могут участвовать в контроле и смягчении последствий загрязнения воздуха.

Загрязнение воздуха может вызвать или усугубить такие симптомы, как кашель и одышка. Оно может спровоцировать приступы астмы и повысить риск преждевременной смерти у людей с заболеваниями сердца и легких.
В мировом масштабе, около 9 миллионов смертей в год связаны с загрязнением воздуха, а более 90% населения мира живет в местах, где уровень загрязнения превышает нормативы Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ).
Наиболее подвержены риску молодежь, пожилые люди и хронические больные. Лица, работающие или занимающиеся спортом на открытом воздухе, также входят в группу повышенного риска.

Технологии борьбы с загрязнением
Основные причины этих проблем нужно устранить в глобальном масштабе, путем перехода на более чистые виды топлива, ограничения выбросов и повышения энергоэффективности.
Изменения в политике по ограничению выбросов медленно вступают в силу. Так, во многих странах есть планы по ликвидации транспорта на ископаемом топливе. Но они, как правило, начинают действовать через десять лет и более, а замена всего существующего транспорта потребует еще больше времени.

Встраиваемые системы и ЧПУ играют важную роль в актуальных технологиях. Так, встроенные процессоры являются важным элементом электромобилей – для таких функций, как контроль двигателя и аккумулятора. Заводы и офисы могут стать более энергоэффективными, благодаря современной автоматизации.

В офисных зданиях уже применяются пассивные инфракрасные (ПИК) датчики, определяющие наличие людей в каждой зоне здания и соответственно регулирующие освещение/отопление. Добавление датчиков CO2 обеспечит более точные и разумные решения по использованию зданий и дальнейшей экономии энергии.

Электронные устройства также могут применяться для реализации краткосрочных стратегий смягчения, пока решаются глобальные проблемы.

Мониторинг загрязнения

Необходим точный мониторинг загрязнения. Если люди будут знать о качестве воздуха, они смогут принять меры по сокращению вреда. Например, избегание самых загруженных дорог может вдвое снизить уровень загрязнения, которому вы подвержены.

Долгосрочный анализ данных, собранных на больших территориях, может выявить места с неизменно хорошим или плохим качеством воздуха. Это может способствовать будущему планированию жилья, школ и заводов.
В прошлом, для точных измерений требовалось дорогое и громоздкое лабораторное оборудование. Но сегодня многие типы датчиков доступны в виде небольших электронных устройств. Сюда входят:

• Оптические счетчики частиц выявляют аэрозольное загрязнение, измеряя свет, рассеянный частицами.
• Оптические датчики обнаруживают угарный газ и углекислый газ, измеряя поглощение инфракрасного света.
• Металл-оксидные полупроводниковые датчики обнаруживают наличие газа по изменению проводимости полупроводникового слоя.

В сочетании с микроконтроллером, их можно применять для создания небольших, недорогих устройств, контролирующих и отслеживающих уровни загрязнения. Базовая конструкция такой системы описана ниже.
При добавлении Bluetooth или Wi-Fi, IoT сети таких датчиков можно использовать для распределенного мониторинга обширных территорий. Это может выявить такие проблемы, как загрязнение от дорожного движения возле школ или в местах, где производственные выбросы формируют максимум загрязнения.

Виды загрязнения и риски для здоровья
Во многих городах, наибольший вклад в загрязнение воздуха вносят автомобили. Основные загрязняющие газы от транспорта – диоксид серы (SO2) и смесь оксидов азота (NOx). Они могут повлиять на дыхание и работу сердца. Дизельные двигатели вызывают особую озабоченность, так как дополнительно выбрасывают большое количество твердых частиц.

Частицы включают смеси аэрозольных частиц и капель жидкости. Зачастую, загрязнение частицами проявляется в виде тумана, особенно, когда оно способствует образованию смога. В иных случаях, оно невидимо (может быть измерено лишь соответствующим оборудованием)

Размер частиц напрямую связан с их потенциальным воздействием на здоровье. Малые частицы, диаметром менее 2,5 микрометра (PM2.5), представляют наибольшую проблему, так как могут проникнуть глубоко в легкие и даже в кровоток.
В Азии основной фактор – это сжигание древесины и угля, для отопления и производства электроэнергии. Уголь выделяет загрязняющие вещества (SO2, тяжелые металлы и частицы).
Ископаемое топливо также выделяет летучие органические соединения (ЛОС). Это токсичные соединения – бензол, формальдегид и пр., которые могут формировать атмосферные газы. Многие из них являются канцерогенами. Они также выделяются из других источников – в частности, красок и стройматериалов.

Конструкция переносного регистратора загрязнения

Устройство IoT может быть спроектировано для контроля и анализа качества воздуха в режиме реального времени (Рисунок 1). Устройство может отображать измерения одного/нескольких датчиков. Для этого можно применить простой цифровой светодиод, отображающий измеренный уровень, или сенсорный ЖК-дисплей, отображающий более подробные данные и взаимодействующий с пользователем.

Из-за ограниченного места хранения на устройстве, а также для обеспечения совместного использования и интеграции данных с нескольких устройств, регистратор использует Wi-Fi подключение для загрузки данных в облако.
Выявив заданный уровень определенного загрязнителя, устройство может подать звуковой сигнал. Пороговое значение можно задать, исходя из потребностей человека (например, страдающему астмой может понадобиться более раннее предупреждение, чем другим).

Пороговое значение сигнала также можно применить для контроля других систем. Например, оно может включить систему вентиляции или отправить сообщение с предупреждением.
Более подробное группирование, анализ и визуализацию данных можно обеспечить через облачные сервисы, с доступом к результатам через веб-сервер (с любого интеллектуального устройства или компьютера).



Упрощенная блок-схема устройства IoT для мониторинга и анализа качества воздуха в режиме реального времени

Подходящие платы микроконтроллера продаются поставщиками полупроводников и третьими лицами. Есть несколько стандартов де-факто, таких как Arduino, определяющих форм-факторы, интерфейсы, распиновку и т.д. Это привело к расцвету совместимых подсистем, инструментов разработки и прикладного программного обеспечения. Поддержка доступна от поставщиков и сообщества. В результате, прототип новой идеи продукции создается просто и экономически эффективно. То же оборудование можно применить для производства в малых объемах.

Есть множество недорогих датчиков, поставляемых в виде готовых к использованию модулей со стандартными (последовательными/аналоговыми) интерфейсами, обеспечивая простое подключение к микроконтроллеру.
Так, газовый датчик MQ135 Waveshare (Рисунок 2) – металл-оксидный полупроводниковый (МОП) датчик ЛОС. Он выявляет бензол и схожие соединения. Обеспечивает аналоговый выход напряжения для представления выявленного уровня загрязнителя. Хотя его реакция нелинейна, ее можно преобразовать в значение частей на миллион (PPM) – с помощью программного обеспечения, запущенного на микроконтроллере.



Газовый датчик MQ135 от Waveshare

DFROBOT SEN0219 (Рисунок 3) использует недисперсионное инфракрасное (НДИК) зондирование для определения концентрации CO2, измеряя поглощение инфракрасного света от светодиода.




SEN0219 от DFROBOT

SEN0177, также от DFROBOT (Рисунок 4), использует лазерное рассеяние для измерений концентрации частиц пыли (PM2.5). Для передачи количества частиц в микроконтроллер используется последовательный интерфейс.
Некоторые модули сочетают несколько функций зондирования. Sparkfun SEN-14348 использует несколько датчиков для измерений уровня ЛОС, влажности, температуры и атмосферного давления.



SEN0177 от DFROBOT

Одно и то же базовое оборудование можно использовать с разными датчиками, для выявления разных видов загрязнения.

Выводы
Недорогие электронные датчики могут обеспечить распределенное измерение загрязнения воздуха в режиме реального времени. Имея доступ к точным и актуальным данным, можно принять меры к снижению воздействия. Можно сократить пребывание в местах скопления транспорта, выбирая спокойные маршруты, избегая загруженных дорог и интенсивного движения на улицах.
Наша зависимость от технологий создала эти проблемы, но новые технологии также должны быть частью их решения.

www.tme.eu

  Получите дополнительную информацию…