В статье описана разработка датчика экомониторингауровня загрязненности воздуха на АRM-процессоре.
Ключевые слова: экомониторинг; загрязнение воздуха; Raspberry Pi.
В настоящее время из-за бурной хозяйственной деятельности человека, а также из-за негативных природных явлений (пожары, пыльные бури) значительно ухудшается состояние воздуха, что чаще всего выражается в повышенном содержании пыли и вредных веществ. В глобальном плане для мониторинга атмосферного воздуха используются специализированные геоинформационные аналитические системы. Поскольку качество воздуха является одним из важнейших аспектов, влияющих на здоровье человека, важно оценивать состояние воздуха не только в глобальных масштабах, но и локально, непосредственно в рабочих и жилых помещениях.
Основными загрязнителями воздуха являются мелкие твёрдые частицы (пыль), а также примеси, которые оказывают наибольшее воздействие на людей. Частицы диаметром 10 микрон и меньше могут проникать и оседать глубоко в легких, но еще более опасными для здоровья являются частицы диаметром 2,5 микрона и менее, они могут проникать не только в легкие, но и кровеносную систему, что значительно повышает риск развития болезней сердца и респираторных заболеваний, а также рака легких. [1]
Исходя из вышеописанного необходимо своевременно выявлять загрязнение и его степень и принимать меры по его устранению. Причем, данные, полученные в процессе мониторинга, желательно отображать в доступной для начинающего пользователя форме. Для этого необходимы недорогие и компактные приборы для повседневного пользования.
Поэтому было принято решение разработать датчик экомониторинга уровня загрязненности воздуха на АRM-процессоре, который можно использовать локально. Экологический мониторинг (экомониторинг) — комплексные наблюдения за состоянием окружающей среды. Значимой частью прибора является датчик, способный измерять необходимые параметры окружающей среды, чтобы установить уровень загрязнения воздуха. В данном проекте нас будут интересовать прежде всего уровни ПДК (предельно допустимая концентрация) составляющих загрязнений, так как именно по ним можно оценить состояние окружающей среды на данный момент и принять меры по повышению ее качества. Одной из основных целей проекта является отображение полученных данных на веб-сервере в удобной для восприятия форме.
Для реализации проекта использовано следующее оборудование.
Аппаратная часть измерителя построена на одноплатном компьютере с ARM процессором, имеющим размеры соизмеримые с банковской картой. ARM-процессор — это центральное процессорное устройство, основанное на RISC-архитектуре. RISC (reduced instruction set computer) — данная архитектура имеет сокращенный набор команд, которые имеют один формат и отличаются простой кодировкой. [2] В данной работе в качестве одноплатного компьютера использован Raspberry Pi.
Для записи операционной системы и хранения данных используется SD-карта, так как Raspberry Pi поставляется без операционной системы.
Используется плата расширения Breakout Garden. Она позволяет подключать совместимые платы с Breakout Garden через шесть разъёмов со встроенной защитой от обратной полярности и устанавливать их с помощью скрипта автоматической установки. Используемый скрипт — это последовательность действий, описанных с помощью скриптового языка программирования (JavaScript, PHP, Perl, Python и др.) для автоматического выполнения определенных задач.
В качестве измерителя параметров использован контроллер Pimoroni BME680 с переходной платой. BME680 предназначен для измерения параметров окружающей среды. Он позволяет определять следующие характеристики: температура, давление и влажность, а также оценивать качество воздуха (наличие и концентрация различных примесей), что является основной целью данного проекта.
Нормальным атмосферным давлением считается 101 325 Па (≈ 101 кПа). Выбранный датчик способен измерить давление от 300 до 1100 кПа с разрешением 0,18 Па. В диапазоне температур от 0 до +65 °С сенсор характеризуется абсолютной погрешностью ± 0,6 кПа.
Рабочий диапазон датчика температуры составляет от -40 до +85 °С. Абсолютная точность в диапазоне от 0 до +65 °С составляет ±1 °С.
Датчик влажности работает в диапазоне от 0 до 100 % с абсолютной точностью ± 3 % (температура от 0 до +65 °С).
BME680 имеет встроенный металло-оксидный датчик (Metal Oxide Semiconductor) органических летучих веществ. Это датчик резистивного типа, сопротивление поверхности которого зависит от содержания в воздухе летучих органических веществ (ацетон, этанол, продукты дыхания, изопрен, и т. д). Сопротивление датчика измеряется, оцифровывается 20-битным аналого-цифровым преобразователем и фильтруется. Так как информация, полученная с датчика не совсем удобна для дальнейшего использования, то данные преобразуются с помощью программных алгоритмов в баллы качества воздуха IAQ (Indoor air quality). [3]
По таблице 1, приведённой ниже, можно определить состояние воздуха в помещении и принять меры, если качество воздуха оценивается как «ниже среднего» и IAQ составляет 101 и более баллов.
Таблица 1
Оценка качества воздуха
|
IAQ |
Качество воздуха |
|
0–50 |
Хорошее |
|
51–100 |
Среднее |
|
101–150 |
Ниже среднего |
|
151–200 |
Неудовлетворительное |
|
201–300 |
Плохое |
|
301–500 |
Очень плохое |
В целом для изготовления системы экомониторинга понадобится следующее оборудование:
1) Raspberry Pi
2) Карта Micro-SD
3) Блок питания, кабель, кабель Ethernet
4) Датчик Pimoroni BME680 с переходной платой
5) Плата расширения Breakout Garden
Теперь перейдём к описанию процесса сборки данного прибора.
Последовательно соединяем вместе выбранные элементы. Так как датчик измерения параметров окружающей среды взят с переходной платой, то просто подключаем датчик к Raspberry Pi. В дальнейшей реализации проекта необходима разработка определённого программного обеспечения. В данной работе рассматривается общий план проекта экомониторинга.
Необходимо установить операционную систему на SD-карту. С Raspberry Pi совместимы множество различных операционных систем, в качестве базовой используют одну из версий Linux. Далее создаём новое приложение, выбрав тип устройства и тип приложения. После завершения процесса установки вставляем SD-карту в Raspberry Pi и подключаем источник питания. Структурная схема системы экомониторинга представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема системы экомониторинга
После загрузки устройство подключается к панели мониторинга. Следующим шагом является установка CLI (Command Line Interface) — интерфейса командной строки. В CLI вписываются команды, с помощью которых и производится настройка, а в дальнейшем и управление датчиком.
Далее представлена последовательность процесса установки веб-сервера на Raspberry Pi. Команды, с помощью которых выполняется установка и настройка опущены, поскольку они не являются основой данного проекта.
1) Устанавливаем веб-сервер nginx на Raspberry Pi. Nginx — это программное обеспечение с открытым исходным кодом для веб-сервера.
2) Устанавливаем PHP на Raspberry Pi. PHP — скриптовый язык общего назначения, применяемый для разработки веб-приложений.
3) Устанавливаем MySQL на Raspberry Pi. MySQL — это реляционная система управления базами данных с открытым исходным кодом.
4) Настраиваем nginx. Вводим в браузере IP нашей Raspberry Pi.
Установка и настройка веб-сервера на Raspberry Pi завершена.
В итоге проделанной работы получается датчик экомонитооринга, который собирает данные и с помощью веб-сервера позволяет пользователю зайти на станцию и посмотреть полученную информацию в настоящий момент времени. На веб-странице в наглядной форме отображаются температура, влажность, давление, а также оценка качества воздуха (см. рис. 2).
Рис. 2. Вариант исполнения пользовательского интерфейса
В случае дальнейшей разработки экодатчики можно использовать как в домашних условиях, так и на рабочих местах в цехах, офисах, поликлиниках, адаптировав отображение информации на веб-страницах под определённую специфику. При организации единой сети, возможно использование экодатчиков на улицах города для сбора информации о качестве воздуха в различных городских микрорайонах. Таким образом локальный мониторинг состояния окружающей среды будет доступен для пользования граждан.
Литература:
- Всемирная организация здравоохранения. Как загрязнение воздуха разрушает наше здоровье. 2020. URL: https://www.who.int/ru/air-pollution/news-and-events/how-air-pollution-is-destroying-our-health (дата обращения: 10.03.2020)
- Медиагруппа. Что такое ARM. 2013–2020. URL: https://androidinsider.ru/polezno-znat/chto-takoe-arm.html (дата обращения: 10.03.2020)
- Терраэлектроника. BME680 — новый датчик параметров среды. 2004–2020. URL: https://spb.terraelectronica.ru/news/5048 (дата обращения: 15.03.2020)
