Мониторинг атмосферного воздуха с применением беспроводной сенсорной сети

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

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.