Amatorski System Monitoringu Jakości Powietrza to projekt oparty na sieci IoT, mający na celu rejestrowanie jakości powietrza w wybranych rejonach w oparciu o zbudowane w tym celu urządzenia.
Cele
Opis projektu
Projekt Amatorski System Monitoringu Jakości Powietrza zainicjowany został przez stowarzyszenie WroSpace, będące organizatorem oraz Otwartą Sieć Rzeczy, pełniącą rolę współorganizatora. Projekt został wsparty środkami pochodzącymi z Narodowego Instytutu Wolności - Centrum Rozwoju Społeczeństwa Obywatelskiego ze środków Programu Funduszu Inicjatyw Obywatelskich NOWEFIO na lata 2021 – 2030. W skład projektu wchodzi kilkunastu liderów drużyn, będących osobami zaawansowanymi technicznie. Liderzy odpowiedzialni byli za skompletowanie i uruchomienie układu pomiarowego, zainstalowanie go we właściwym miejscu oraz wykonanie niezbędnych czynności konfiguracyjnych, w których wyniku układ pomiarowy poprawnie wysyła dane do systemu centralnego, wraz z właściwym raportowaniem pozyskanych danych pomiarowych. Każdy lider zespołu może również delegować część obowiązków na członków swojej drużyny i pełnić jednocześnie rolę nadzorczą z zapewnieniem koordynacji działań. Członkowie grup nie muszą być osobami technicznymi, jednak istotne jest, aby wykazywały zainteresowanie zagadnieniami związanymi z jakością powietrza, pomiarami i były nastawione entuzjastycznie na poszerzanie swoich umiejętności. Członkami drużyn mogą również zostać dzieci oraz młodzież w wieku szkolnym.
Poniżej przedstawiono strukturę organizacyjną projektu.
Rys. 1 Organizacja projektu
Istotą projektu jest pozyskiwanie danych z układów pomiarowych zainstalowanych przez liderów drużyn. Każdy układ pomiarowy pozyskuje dane dot. zapylenia powietrza (PM2.5 i PM10), temperatury, wilgotności oraz ciśnienia atmosferycznego. Występują dwa typy układów pomiarowych. Pierwszy, zasilany z sieci energetycznej, został wyposażony w grzałkę pełniącą rolę osuszacza powietrza w sytuacji, w której wilgotność wzrośnie powyżej progu 60%. Jest to podyktowane specyfiką wykorzystanego czujnika jakości powietrza, który ma tendencję do zawyżania wyników pomiarów w przypadku wysokiego poziomu wilgotności powietrza. Poniżej przedstawiono kompletny, zmontowany podstawowy układ pomiarowy wyposażony w grzałkę i zasilany z sieci energetycznej.
Rys. 2 Podstawowy układ pomiarowy z grzałką
Drugi typ układu pomiarowego umożliwia pracę w pełni autonomiczną, bez zasilania z sieci energetycznej. Został wyposażony w ogniwo fotowoltaiczne i akumulator. W tym układzie jednak zrezygnowano z zastosowania grzałki, z uwagi na jej wysokie zapotrzebowanie energetyczne, co w pochmurne dni mogłoby uniemożliwić pracę z powodu wyczerpania akumulatora.
Rys. 3 Układ pomiarowy z autonomicznym zasilaniem, bez grzałki
Istotnym parametrem projektu jest prawidłowy wybór lokalizacji układu pomiarowego. Wymagane jest spełnienie następujących warunków:
Rys. 4 Przykładowe miejsca instalacji układu pomiarowego
Powyższe przykłady ilustrują instalację czujnika zasilanego z sieci energetycznej, gdzie dodatkowo niezbędne było zapewnienie stałego zasilania. W przypadku układów pomiarowych z zasilaniem autonomicznym paleta wyboru miejsca jest szersza. Poniżej znajduje się przykład instalacji układu pomiarowego z zasilaniem autonomicznym.
Rys. 5 Przykład instalacji układu pomiarowego z zasilaniem autonomicznym
Jednym z wyzwań okazała się minimalizacja oddziaływania termicznego ścian budynków na układ pomiarowy. Poniżej przedstawiono przykład minimalizacji wpływu tego zjawiska poprzez instalację układu pomiarowego w taki sposób, aby tylna jego ścianka nie dotykała do ściany budynku.
Rys. 6 Minimalizacja oddziaływania termicznego budynku na układ pomiarowy
Kolejnym wyzwaniem okazała się konieczność minimalizacji ryzyka kondensacji pary wodnej wewnątrz obudowy układu pomiarowego. Osiągnięto to poprzez nawiercenie dodatkowych otworów u dołu obudowy, zapewniających dodatkową wentylację.
Rys. 7 Układ pomiarowy z otworami zapewniającymi wentylację
Dodatkowo niezbędne okazało się też uniemożliwienie przedostawania się „zużytego”, ogrzanego powietrza z czujnika jakości powietrza do zewnętrznej komory zawierającej czujnik temperatury, wilgotności i ciśnienia atmosferycznego. Osiągnięto to poprzez zaizolowanie otworu, przez który przechodzą przewody do czujników, co przedstawiono na poniższej ilustracji.
Rys. 8 Izolacja czujnika temperatury od wewnętrznej komory układu pomiarowego
Dane z każdego układu pomiarowego wysyłane są droga radiową za pośrednictwem protokołu LoRaWAN do bramki znajdującej się w pobliżu, tzn. zwykle od kilkunastu metrów do kilku kilometrów. Poniżej przedstawiono przykładowe bramki. Z lewej do montażu zewnętrznego, z prawej do montażu wewnątrz pomieszczeń.
Rys. 9 Przykłady bramek LoRaWAN
W przypadku bramek wewnętrznych instalacja sprowadza się do włożenia do gniazdka zasilania. W odniesieniu do bramek zewnętrznych, istotna jest jej lokalizacja możliwie jak najwyżej na powierzchnią ziemi i z dala od przeszkód terenowych takich jak np. inne budynki. Poniżej znajduje się przykład instalacji bramki, wraz z dedykowaną anteną (u góry zdjęcia po środku i z prawej), zainstalowanej na maszcie na szczycie budynku.
Rys. 10 Przykład instalacji bramki zewnętrznej
Bramka przekazuje odebrane drogą radiową dane dalej, za pośrednictwem sieci Internet, do publicznej platformy The Things Network, która z kolei nadzoruje proces komunikacji oraz umożliwia integrację z systemami docelowymi. Poniżej przedstawiono architekturę systemu wraz z pełną ścieżką przepływu informacji.
Rys. 11 Architektura systemu i przepływ informacji
LoRaWAN.
LoRaWAN jest jedną z technologii LPWAN (Low Power Wide Area Network), która charakteryzuje się dużym zasięgiem przy małej mocy sygnału nadawanego (niskie zużycie energii) oraz niską przepustowością - jest więc idealna dla Internetu Rzeczy. Technologia LoRaWAN zyskuje ogromną popularność ze względu na możliwość łatwego i stosunkowo taniego tworzenia sieci dla urządzeń zasilanych bateryjnie.
Struktura sieci LoRaWAN jest podobna do struktury sieci komórkowych. Rolę stacji bazowych pełnią bramki (Gateways), które pośredniczą w komunikacji pomiędzy urządzeniami końcowymi, a tzw. serwerem sieciowym (Network Server). Do transmisji danych pomiędzy urządzeniami końcowym, a bramkami wykorzystywana jest modulacja LoRa, oparta na technologii rozpraszania widma CSS (Chirp Spread Spectrum). Rozproszenie widma uzyskuje się poprzez zastąpienie sygnału reprezentującego bity danych przez sygnał‚ sinusoidalny o narastającej częstotliwości - tzw. chirp. Sygnał ten używany jest jako sygnał nośny, w którym zakodowane są dane. Przesyłane w ten sposób przez urządzenie końcowe ramki, odbierane są przez bramki, a po demodulacji przekazywane do serwera sieciowego. Jeśli urządzenie jest zarejestrowane w sieci (sprawdzanie integralności danych), to dane użyteczne (payload) przesyłane są do serwera aplikacji (Application Server), a po zdekodowaniu trafiają do aplikacji końcowych użytkownika.
Cechy charakterystyczne technologii LoRaWAN:
Sieć TTN
Czujniki jakości powietrza są zarejestrowane w jednej z publicznych sieci LoRaWAN - TTN (The Things Network). Sieć TTN jest otwarta, rozproszona, zdecentralizowana, bezpłatna, oparta na stosie w postaci otwartego oprogramowania i jest własnością społeczności, która ją tworzy. Każdy ma do niej dostęp i może wnieść swój wkład przyczyniając się do jej rozwoju. Każdy może zwiększyć zasięg sieci poprzez instalację i uruchomienie kolejnej bramki. Infrastruktura sieci jest więc rozwijana i utrzymywana przez jej użytkowników. Budowa sieci TTN została zainicjowana w 2015 roku w Amsterdamie i zaczęła rozrastać się w bardzo szybkim tempie. Obecnie rozwijana jest już w ponad 150 krajach. Również w Polsce od 2016 roku powstają lokalne społeczności skupiające entuzjastów zainteresowanych rozwojem sieci - głównie w dużych miastach. W 2018 roku grupa entuzjastów z kilku społeczności TTN postawiła sobie za cel wzmocnienie zainteresowania rozwojem koncepcji otwartej sieci w oparciu o TTN, polepszenie zasięgu tej sieci oraz stworzenie organizacji non-profit, która byłaby wsparciem dla polskich społeczności TTN i podjęła działania na rzecz współpracy w celu budowy, utrzymania i promowania otwartej sieci LoRaWAN. Efektem tych działań jest Stowarzyszenie Otwarta Sieć Rzeczy założone w grudniu 2019 roku w Bydgoszczy.
Signomix
Systemem docelowym, wykorzystywanym w ramach projektu, jest platforma Signomix, umożliwiająca wizualizację danych pozyskiwanych między innymi właśnie z The Things Network. Platforma umożliwia tworzenie elastycznych kokpitów (ang. dashboard) składających się różnego rodzaju kontrolek, wykresów i map. Pozwala na estetyczną wizualizację danych za pośrednictwem przeglądarki internetowej. Platforma dostosowuje sposób wyświetlania danych do urządzenia końcowego i tym samym umożliwia bezproblemową wizualizację kokpitów zarówno na komputerach PC jak i na urządzeniach mobilnych typu smartfon. Poniżej przedstawiono mapę urządzeń oraz przykładowy kokpit dostarczający informacje gromadzone przez jeden z układów pomiarowych.
Rys. 12a Mapa rozmieszczenia urządzeń w projekcie ASMJP
Rys. 12b Przykład kokpitu na platformie Signomix
W czasie trwania projektu, w dniu 11.09.2021, odbyło się stacjonarnie szkolenie liderów drużyn, podczas którego szczegółowo omówiono budowę oraz zasadę działania układów pomiarowych, sposób akwizycji danych oraz metody komunikacji. Przedstawiono dokładną zasadę działania protokołu LoRaWAN oraz platformy The Things Network, wykorzystywanych na potrzeby projektu. Przedstawiono możliwości tej platformy, zasady jej użytkowania oraz wskazano również jej ograniczenia. Omówiono również zasady instalacji układów pomiarowych. Uczestnicy szkolenia zadawali szczegółowe pytania, wysuwali własne wnioski racjonalizatorskie. Liderzy drużyn otrzymali układy pomiarowe do samodzielnego montażu.
Rys. 13a Po lewej: Odbieranie urządzeń. Po parwej: konstruktor i architekt systemu prowadzący prelekcję
Ponadto w okrsesie wrzesień 2021 - listopad 2021 r, zorganiozwano szereg spotkań online, podczas których kontynuowano cykl szkoleń, m. in. w zakresie montażu urządzenia, obsługi i integracji systemu Signomix, dostosowania urządzeń, optymalizacji kokpitów. W okresie tym funkcjonowała również grupa na popularnym komuikatorze, w której to wszyscy uczestnicy, zarówno liderzy, jak i członkowie grup, wymieniali się doświadczeniem, rozwiązywali problemy i sugerowali niezbędne zmiany w projekcie.
Rys. 13b Spotkania online
W ramach projektu przeprowadzono dwie misje stratosferyczne, w których wysłano czujniki jakości powietrza. Pierwszy lot miał miejsce dnia 11.09.2021, w ramach którego do stratosfery został wysłany czujnik jakości powietrza (PM2.5 i PM10) wykorzystany w docelowych układach pomiarowych. Testowana była jego odporność na niskie temperatury oraz ciśnienie. W ramach drugiej misji zrealizowanej 11.11.2021 został wysłany również czujnik jakości powietrza, tyle że całkowicie inny i tym samym zostały zgromadzone pomiary referencyjne, umożliwiające ocenę jakości samego czujnika zastosowanego w Amatorskim Systemie Monitoringu Jakości Powietrza. Loty przygotował i zrealizował Włodzimierz Tarnowski z zespołem członków klubu SP6ZWR oraz liderów drużyn projektowych.
Poniższa ilustracja przedstawia (od lewej) przygotowania do startu, sam start, zdjęcie zrobione przez sondę tuż po starcie oraz tuż po pęknięciu powłoki balonu.
Rys. 14 Misja stratosferyczna
Podczas misji sonda wykonała między innymi zdjęcie naszej atmosfery – poniżej.
Rys. 15 Zdjęcie atmosfery wykonane przez sondę
Rezultaty
Podczas etapów projektu, zostało zrekrutowanych 14 liderów zespołów. Nastąpiła jedna zmiana drużyny. W ciągu 5 miesiecy liderzy przeszli cykl szkoleń prowadzonych przez Mariusza Kubasa; wykonali niezbędne prace nad budową urządzenia, znaleźli odpowiednie miejsce do wyeksponowania na zewnątrz swoich domów, przygotowali dashboardy w Signomixie i nadzorowali pracę i poprawne działanie urządzeń. Ponadto wdrożyli członków swoich drużyn w tajniki projektu i tematy z nim związane.
W wyniku działań projektowych zostało złożonych, zainstalowanych, uruchomionych oraz skonfigurowanych 18 układów pomiarowych na terenie całej Polski. 14 urządzeń pochodzi z projektu Amatorski System Monitoringu Jakości Powietrza (13 urządzeń zlokalizowanych w Polsce, 1 testowany w stratosferze), pozostałych 5 z poprzednich projektów stowarzyszenia Otwarta Sieć Rzeczy. Dane pomiarowe prezentowane są na platformie Signomix w postaci kokpitu zbiorczego, zawierającego mapę Polski ze wskazaniem lokalizacji czujników oraz sygnalizacji przekroczenia progów ostrzegawczych oraz alarmowych. Główny kokpit prezentuje również tabelę zawierającą ostatnie, podstawowe wyniki pomiarów z poszczególnych lokalizacji ze wskazaniem ich nazw (miejscowość, ew. dzielnica), poziomu zanieczyszczenia powietrza (PM2.5, PM10), temperatury, wilgotności, ciśnienia atmosferycznego oraz czasu wykonania ostatniego pomiaru.
Dostępne są również szczegółowe wyniki z każdego układu pomiarowego, poprzez dedykowane kokpity dla poszczególnych lokalizacji. Każdy z nich dostarcza następujących danych pomiarowych: bieżąca temperatura, wilgotność oraz ciśnienie atmosferyczne, dobowa historia zmian (wykres) temperatury, wilgotności oraz ciśnienia, ostatnie odczyty poziomu zanieczyszczeń PM2.5 i PM10 oraz ich dobowych historii zmian prezentowanych również w formie wykresu.
W przypadku poziomu zanieczyszczeń niezbędne okazało się wprowadzenie mechanizmów podnoszących jakość pomiarów poprzez zastosowanie metod numerycznych, minimalizujących niedoskonałości czujnika, tzn. eliminujących skoki odczytów wywołanych wzrostami wilgotności powietrza. Testy układów pomiarowych, zainstalowanych w docelowych lokalizacjach pokazały, że zastosowanie samej grzałki jest niewystarczające ponieważ po osuszeniu powietrza ona wyłącza się, powodując następnie wzrost wilgotności. W efekcie pojawiają się oscylacje od rzeczywistych wartości zanieczyszczeń do zawyżonych nawet o kilkaset procent. Mechanizm podnoszący jakość pomiarów analizuje wyniki z ostatniej godziny i wybiera minimum. Dane prezentowane są jako bieżące „wartości przeliczone” dla PM2.5, PM10 oraz w formie wykresu za ostatnią dobę.
Oprócz pomiarów podstawowych gromadzone są również wyniki pomiarów parametrów technicznych, mogących pomóc w przyszłości w dalszym dostrojeniu systemu. Tymi parametrami są bieżąca temperatura oraz wilgotność w komorze grzałki, wykresy zmian z ostatniej doby dla temperatury i wilgotności w komorze grzałki oraz bieżące napięcie zasilania.
Dostęp do bieżących, zbiorczych wyników pomiarów wraz z możliwością prezentacji parametrów szczegółowych, pochodzących z poszczególnych układów pomiarowych znajduje się tu: signomix. Ponadto, w dolnej części strony został wbudowany kokpit wspólny na platformie Signomix.
Wnioski
Projekt pokazał, że infrastruktura LoRaWAN w Polsce jest na dość wczesnym etapie rozwoju i do większości punktów pomiaru niezbędne okazało się dołożenie bramki. Tym samym realizacja projektu przyczyniła się do poszerzenia sieci LoRaWAN poprzez instalację kilkunastu nowych bramek. Jednocześnie należy zauważyć, że przy ewentualnym rozszerzeniu systemu o kolejne punkty pomiarowe lub budowie podobnego systemu opartego o infrastrukturę LoRaWAN niezbędna może okazać się instalacja nowej bramki dla każdego nowo powstającego punktu pomiarowego. Zalecane jest jednak wykonanie wcześniejszych pomiarów, aby sprawdzić, że w docelowym miejscu, w którym miałby znajdować się punkt pomiarowy, jest zasięg LoRaWAN. Wstępne oszacowanie można również przeprowadzić za pośrednictwem serwisu https://ttnmapper.org/heatmap/ dostarczającej szacunkowych informacji o dostępnym zasięgu w wybranej lokalizacji.
Kompleksowy monitoring jakości powietrza z wykorzystaniem niskonakładowych czujników jest wykonalny jednak wymaga:
Biorąc powyższe pod uwagę, możliwe jest zminimalizowanie błędów pomiarowych i zmniejszenie dystansu pomiędzy jakością pomiarów dostarczaną przez czujniki niskonakładowe i profesjonalne. Dodatkowo przyjmując założenie, że z punktu widzenia mieszkańców nie jest istotna aptekarska precyzja pomiaru, a jedynie oszacowanie, czy jakość powietrza jest dobra, akceptowalna, niezadowalająca, czy bardzo zła, okazuje się, że system zbudowany w oparciu o niskonakładowe czujniki może mieć wyraźną przewagę nad profesjonalnymi układami pomiarowymi z uwagi na możliwość zastosowania znacznie większej liczby punktów pomiaru i tym samym zwiększenie precyzji pomiaru w konkretnych miejscach. Przykładem mogą tu być profesjonalne stacje pomiarowe instalowane zwykle w jednym lub w kilku lokalizacjach w danej miejscowości. Takie układy pomiarowe, mimo ich wysokiej precyzji pomiaru, nie dają miarodajnego obrazu zanieczyszczenia powietrza w mieście, ponieważ obrazują jedynie to co dzieje się w miejscu pomiaru lub w promieniu kilkudziesięciu metrów. Możliwe jest zatem manipulowanie wynikami pomiarów, poprzez np. instalację czujnika w miejscu bardziej zanieczyszczonym i prezentowanie tych wyników tak jakby dotyczyły całej miejscowości, w tym terenów ze znacznie lepszą jakością powietrza, np. położonych na obrzeżach. Dla kontrastu, zastosowanie większej liczby punktów pomiaru pozwala na wskazanie konkretnych miejsc, w których powietrze jest zanieczyszczone i tych o znacznie lepszej jego jakości. Tym samym możliwe jest wyeliminowanie fałszywego odbioru dostarczanych informacji przez pojedyncze punkty pomiarowe, na rzecz znacznie rzetelniejszych danych mających realny wpływ na życie mieszkańcówi.
Historia projektu urządzenia rozpoczęła się w 2019 roku od przeprowadzenia przez bydgoską grupę TTN (The Things Network) warsztatów związanych z technologią LoRaWAN i budową amatorskich czujników smogu. Obszerne materiały z tego wydarzenia przybliżają technologię transmisji danych, infrastrukturę sieciową, ideę TTN, platformę Signomix oraz problematykę smogu. Efektem tych warsztatów był projekt czujnika jakości powietrza z interfejsem LoRaWAN. Na początku 2020 roku zbudowano pierwsze czujniki zasilane fotowoltaiką. Konstrukcja została oparta o płytkę rozwojową z układem ASR6501 oraz popularne czujniki wykorzystywane w innych społecznych projektach. Kształt i rozmiary urządzenia są dopasowane do czujnika pyłu SDS011. Niektóre z tych urządzeń działały do połowy 2021 roku i były wykorzystane do testowania programowych metod kompensacji wpływu wilgotności powietrza na pomiary stężenia pyłu. Doświadczenia związane z amatorskim pomiarem smogu zostały zaprezentowane przez Stowarzyszenie Otwarta Sieć Rzeczy podczas Arduino & Raspberry Pi Day 2021. Część bydgoskich urządzeń z zasilaniem stałym działa od 2020 roku i została włączona do projektu. Na początku 2021 roku urządzenie doczekało się własnej nazwy (KOS) i przeszło kilka zmian konstrukcyjnych związanych z układem zasilania, sposobem montażu w obudowie i możliwością podłączania szerszej gamy czujników. Urządzenie jest nadal rozwijane.
Informacje o urządzeniu:
Twórca urządzeń i koordynator merytoryczny projektu, Mariusz Kubas, przeszkolił uczestników, zarówno podczas warsztatów stacjonarnych, jak i zdalnych. Szkolenia dotyczyły sieci LoRaWAN, tworzenia smogometrów, korzystania z platformy Signomix, a także samego projektu. Pan Mariusz jest przedstawicielem współorganizatora projektu, stowarzyszenia Otwarta Sieć Rzeczy.
kontakt: mkubas@trimsoft.pl
Grzegorz Skorupa, twóca platformy Signomix. Platforma ta jest kompleksowym narzędziem służącym do wizualizacji danych z urządzeń elektronicznych opartych na LoRaWan. Signomix jest partnerem projektu.
kontakt: g.skorupa@experiot.pl
Łukasz Pieczonka, jeden z liderów drużyn projektowych, twórca prezentacji projektu podczas World Space Week Wrocław 2021. Odpowiedzialny za analizę danych w projekcie. Na co dzień inżynier i architekt systemów IT, przedsiębiorca. W wolnym czasie buduje sondy stratosferyczne.
kontakt: lukasz.pieczonka@lpiconsulting.pl
Włodzimierz Tarnowski, koordynator techniczny projektu "Amatorski System Monitoringu Jakości Powietrza". Wykonawca lotów stratosferycznych. Współzałożyciel stowarzyszenia WroSpace, członek zarządu. Prezes klubu krótkofalowców "SP6ZWR". Krótkofalowiec, pasjonat kosmosu, "złota rączka". Jeden z najbardziej doświadczonych operatorów misji balonów stratosferycznych w Polsce.
kontakt: tarnowski@wrospace.pl
