Статья:

Мониторинг атмосферного воздуха с применением беспроводной сенсорной сети

Конференция: II Студенческая международная научно-практическая конференция «Технические и математические науки. Студенческий научный форум»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Мудихан Т.А. Мониторинг атмосферного воздуха с применением беспроводной сенсорной сети // Технические и математические науки. Студенческий научный форум: электр. сб. ст. по мат. II междунар. студ. науч.-практ. конф. № 2(2). URL: https://nauchforum.ru/archive/SNF_tech/2(2).pdf (дата обращения: 08.04.2020)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Мониторинг атмосферного воздуха с применением беспроводной сенсорной сети

Мудихан Толе Амангельдиевич
магистрант, Алматинский университет энергетики и связи, Казахстан, г. Алматы
Санатова Тоты Сабировна
научный руководитель, доцент, Алматинский университет энергетики и связи, Казахстан, г. Алматы

 

Из-за быстрых темпов урбанизации г. Алматы является свидетелем значительного увеличения загрязнения воздушной среды. Выбросы опасных газов, таких как окись углерода и двуокись серы не только вредны для здоровья населения, но также способны привести к необратимым воздействиям на окружающую среду. В настоящее время существует только два фиксированных воздушных контроля качества в г. Алматы. Цель данной статьи - описать реализацию недорогой и энергоэффективной системы контроля качества воздуха, использующую беспроводную сенсорную сеть, которая может быть легко развернута в сильно загрязненных районах г. Алматы. Кроме того, для широкой общественности, возможно, обеспечить доступ к результатам мониторинга качества воздуха в режиме реального времени.

Алматы - густонаселенный город около 1,3 миллион человек. За последние годы качество воздуха в городе ухудшилось в связи с непрерывным экономическим развитием, ростом населенности и увеличением производства, которые способствовали росту выбросов загрязняющих веществ в атмосферу [1]. Увеличивающийся уровень загрязнения воздуха в г. Алматы от автомобильных выхлопных газов, выбросов промышленности серьезно влияют на здоровье горожан и повреждение сельскохозяйственных культур, экосистем. Основную опасность представляет выбросы таких газов как монооксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, озон, частицы свинца и пыли которые несут вред не только здоровью человека, но также оказывают большое негативное влияние на экосистему [2]. В результате индустриализации и урбанизации, обеспечение хорошего качества атмосферного воздуха стало региональной проблемой для г. Алматы.

Понятие мониторинга окружающей среды впервые было введено профессором Р. Манном на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 г. и в настоящее время получило международное распространение и признание.

Мониторингом окружающей среды было предложено называть систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой. Однако вскоре стало ясно, что такое определение сужает рамки содержания мониторинга и не позволяет во всей полноте раскрыть его цели и задачи. Блок-схема мониторинга представлена на Рисунке 1.

 

Рисунок 1. Блок-схема системы мониторинга

 

В этой связи основными задачами экологического мониторинга являются: наблюдение за источниками и факторами антропогенного воздействия, за состоянием природной среды и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия; оценка фактического состояния природной среды, прогноз изменения состояния природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды. В общем виде структурная схема мониторинга показана на Рисунке 2.

 

Рисунок 2. Структурная схема мониторинга

 

Появление беспроводных сенсорных сетей позволило бы миниатюризировать

и повсеместно использовать вычислительные устройства. Построение беспроводной сенсорной сети по городу может быть использована для более эффективного мониторинга качества воздуха. В настоящее время отсутствует хорошо развитые сети системы контроля качества воздуха по всему городу. Внедрение и развертывание системы беспроводной сенсорной сети подтверждает потенциал такой системы дать широкой общественности доступ к результатам мониторинга в режиме реального времени по средствам Интернета. Система оборудована различными компонентами, такими как датчики, микроконтроллеры, беспроводные модули и программное обеспечение, которые способны показать реальные уровни и графики загрязнения воздушной среды в определенной точке в любой момент в период мониторинга.

Предлагаемая система мониторинга качества воздуха собирает газы окружающего загрязняющего вещества, такие как окись углерода (СО), озон (O3), диоксид азота (NO2) и диоксид серы (SO2). Узлы газовых датчиков, развернутые на открытом воздухе в интересующих областях, подразделяются на несколько кластеров, где каждый кластер состоит из одной головки кластера и нескольких узлов-участников. Участники узла отправляют свои данные в головку кластера. Затем головка кластера пересылает собранные данные в узел-приемник. Данные из беспроводной сенсорной сети отправляются на шлюз, который перенаправляет их на облачный сервер, где данные хранятся и обрабатываются в графические визуализации для пользователей результатов мониторинга. Структура высокого уровня предлагаемой системы показана на Рисунке 3.

 

Рисунок 3. Структура системы беспроводной сенсорной сети

 

В предлагаемой системе мониторинга атмосферного воздуха используется беспроводная сенсорная сеть с недорогими датчиками и компонентами аппаратных средств компонентов наряду с необходимым программным обеспечением для эффективного мониторинга загрязнения воздуха. Компоненты, используемые для предлагаемой системы, состоят из микроконтроллеров, беспроводных модулей и различных датчиков газа. В системе также используется полупроводниковый датчик газа. Каждый датчик газа чувствителен к определенному газу, например, монооксид углерода, двуокись азота, бутан и водород. Эти датчики можно откалибровать с использованием нагрузочного резистора и методом нагрева. В Таблице 1 приведен список газовых датчиков, которые используются в реализации системы.

Таблица 1.

Полупроводниковые датчики газа серии MQ

Тип газового датчика

Определяемый газ

MQ-131

Озон

MQ-7

Монооксид углерода

MiCS-2714

Диоксид азота

MQ-136

Диоксид серы

 

Для того чтобы обеспечить соблюдение стандартов качества воздуха необходима эффективная система мониторинга воздушной среды. В этой главе реализована недорогая эффективная система мониторинга воздуха с использованием беспроводной сенсорной сети датчиков. Подобные беспроводные сети состоящие из недорогих компонентов такие как крошечные сенсорные узлы, микроконтроллеры и беспроводные модули уже доказали свою эффективность во многих областях. Главная задача при разработке коммуникационных протоколов для беспроводной сенсорной сети  - это вопрос об энергоэффективности из-за ограниченного количества энергии в узлах датчика.

 

Список литературы:
1. Бурман В.М., Кропотов Ю.А. Автоматизированная распределенная система экологического мониторинга окружающей среды модульного типа// Известия ОрелГТУ. Серия «Информационные системы и технологии». 2008. № 1-2/269(544). С. 53-57.
2. Hoek G, Krishnan RM, Beelen R, Peters A, Ostro B, Brunekreef B, Kaufman JD. Longterm air pollution exposure and cardio-respiratory mortality: A review. Environmental Health. 2013 May 28;12(1):43
3. Кропотов Ю.А., Суворова Г.П. Марковские модели в автоматизированной системе мониторинга и прогнозирования экологического состояния промышленной зоны// Известия ОрелГТУ. Серия «Информационные системы и технологии». 2008. № 1-3/269(544). С. 113-118.
4. Mead MI, Popoola OA, Stewart GB, Landshoff P, Calleja M, Hayes M, Baldovi JJ, McLeod MW, Hodgson TF, Dicks J, Lewis A. The use of electrochemical sensors for monitoring urban air quality in low-cost, high-density networks. Atmospheric Environment. 2013 May 31;70:186-203
5. Комплекс программ для автоматизации атмосфероохранной деятельности "АТМОСФЕРА-ПДВ"// http://logosoft.ru/prog/eco_atm_about.htm