CC BY
43Приборы медицинского назначения, контроля среды, веществ, материалов и изделий
УДК 681.2 Оригинальная статья
https://d0i.0rg/10.32603/1993-8985-2020-23-3-93-99
Аппаратное обеспечение системы для экологической диагностики загрязнения атмосферного воздуха
В. А. Рыбак О. П. Рябычина
Белорусская государственная академия связи, Минск, Республика Беларусь
н 6774338@tut.by
Аннотация
Введение. Показана существующая научно-техническая проблема, заключающаяся в том, что, с одной стороны, в соответствии с законодательством и международными обязательствами (например, а рамках Орхусской конвенции) население может запрашивать данные об актуальном состоянии окружающей среды, а с другой - существующие на сегодняшний день системы мониторинга не в состоянии своевременно обеспечить их предоставление. Приведены результаты исследований по выбору и обоснованию датчиков загрязненности атмосферного воздуха, давления, температуры и влажности. Цель работы. Главная цель проведения описанных исследований - разработка аппаратного обеспечения экологического мониторинга загрязненности атмосферного воздуха и его апробация при выборе оптимального безопасного маршрута движения людей.
Материалы и методы. Для передачи данных выбран модуль беспроводной связи GSM; для определения местоположения - GPRS. Аппаратное обеспечение системы строится на базе микрокомпьютера Arduino Nano, к которому подключаются указанные датчики. Исследования проведены в г. Минске (Республика Беларусь). Результаты. Разработанное аппаратное обеспечение объединило датчики загрязнения воздуха, влажности, температуры с модулями GSM и GPRS на базе микрокомпьютера, что позволило использовать его как стационарно, так и с беспилотным летательным аппаратом (дроном) и осуществлять мобильный мониторинг.
Передаваемые прибором данные обрабатываются с целью построения карт загрязненности атмосферного воздуха. Для этого на карту наносятся наборы точек, полученные интерполяцией по методу линейных усреднений соседних значений. Значения загрязнения отображаются на карте цветовым кодированием.
Заключение. Получаемые таким образом карты могут использоваться, например, для выбора оптимального маршрута движения людей в городе с точки зрения минимизации неблагоприятного воздействия загрязнения на здоровье населения и в чрезвычайных ситуациях техногенных аварий. На момент создания предложенное решение не имеет аналогов.
Ключевые слова: экологическая диагностика, мониторинг окружающей среды, датчики загрязненности, аппаратное обеспечение, карты уровня загрязненности
Для цитирования: Рыбак В. А., Рябычина О. П. Аппаратное обеспечение системы для экологической диагностики загрязнения атмосферного воздуха // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23, № 3. С. 93-99. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-3-93-99
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов.
Статья поступила в редакцию 20.03.2020; принята к публикации после рецензирования 13.05.2020; опубликована онлайн 29.06.2020
© Рыбак В. А., Рябычина О. П., 2020
Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License
Medical Devices and Devices for Control of the Environment, Substances, Materials and Products
Original article
Hardware System for Environmental Diagnosis of Air Pollution
Victor A. RybakH, Olga P. Ryabychina
Belarusian State Academy of Telecommunications
Minsk, Republic of Belarus
^ 6774338@tut.by
Abstract
Introduction. The existing scientific and technical problem was shown that, on the one hand, in accordance with legislation and international obligations (for example, under the Aarhus Convention), the population can request data on the current state of the environment, and on the other, monitoring systems existing today unable to timely ensure their provision. The paper presents the results of studies on selection and justification of sensors for air pollution, pressure, temperature and humidity.
Aim. The development of hardware for environmental monitoring of atmospheric air pollution and its testing when choosing the optimal safe route for people to move.
Materials and methods. For data transmission, the GSM wireless module was selected; to determine the location -GPRS. Hardware system was based on the Arduino Nano microcomputer, to which these sensors were connected. Studies were conducted in Minsk, Republic of Belarus.
Results. The developed hardware combined air pollution, humidity, temperature sensors with GSM and GPRS modules was based on a microcomputer, which allowed it to be used both stationary and with an unmanned aerial vehicle (drone), and to carry out mobile monitoring.
The data transmitted by the device were processed in order to build maps of air pollution. For this, sets of points gained by interpolation by the method of linear averaging of neighboring values were plotted on the map. Pollution values were displayed on the map by color coding.
Conclusion. The maps thus gained can be used, for example, to select an optimal route for people to move in the city from the point of view of minimizing the adverse effects of pollution on human health and in technological emergencies. At the time of development, the proposed solution has no analogs.
Keywords: environmental diagnostics, environmental monitoring, pollution sensors, hardware, maps of pollution levels
For citation: Rybak V. A., Ryabychina O. P. Hardware System for Environmental Diagnosis of Air Pollution. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2020, vol. 23, no. 3, pp. 93-99. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-3-93-99
Conflict of interest. Authors declare no conflict of interest.
Submitted 20.03.2020; accepted 13.05.2020; published online 29.06.2020
Введение. На современном этапе развития Вместе с тем на сегодняшний день и в России, и нашего общества проблемы охраны окружающей в Беларуси отсутствуют системы мониторинга, среды становятся все более актуальными. Это свя- позволяющие получать требуемые данные о за-зано как с глобальными процессами изменения грязненности в режиме реального времени. климата на планете, так и с локальными загрязне- На рис. 1, например, приводятся данные нениями, оказывающими неблагоприятное воздей- коммерческого проекта the World Air Quality Index ствие на здоровье населения. (WAQI) [1]. Его целью является донесение инфор-Антропоцентрический поход к рассмотрению мации об опасности загрязнения воздуха данной проблемы, когда людей прежде всего ин- до жителей городов и формирование единой все-тересуют вопросы их жизнеобеспечения, обуслов- мирной платформы с актуальными данными о заливает необходимость иметь оперативную и точ- грязнении воздуха. В проекте используются данную информацию об экологической обстановке. ные с более чем 11 тысяч станций, расположенных
Рис. 1. Сайт проекта WAQI Fig. 1. WAQI project website
более чем в 88 странах. Данные на сайте представлены в виде индекса загрязнения по конкретным точкам (городам), с периодическим обновлением -в основном раз в час. Собираются данные о загрязнении твердыми частицами - фракциями до 10 и 2.5 мкм (не для всех городов) [2].
Таким образом, существует научно-техническая проблема: с одной стороны, есть необходимость предоставления оперативных данных о загрязненности окружающей среды населению, имеющему право в соответствии с международными конвенциями требовать подобные данные, с другой - нет соответствующих систем и нормативного регулирования. Поэтому в настоящей статье описана разработка аппаратно-программного комплекса (прибора) для экологического мониторинга загрязненности атмосферного воздуха и его апробация при выборе оптимального безопасного маршрута движения людей.
Методы исследования. Для обнаружения токсичных газов в окружающей среде используются специальные датчики. На сегодняшний день существует большое количество производителей датчиков токсичных газов и газоаналитического
оборудования. Наиболее известны следующие производители и поставщики датчиков токсичных газов для многих стационарных и переносных газоанализаторов: Nemoto & Co. Ltd (Япония), Alphasense (Великобритания), Membrapor (Швейцария), Dynament (Великобритания), SmartGAS Mikrosensorik (Германия), ООО «Промприбор-Р» (Россия) и др. [3].
В ходе проведенных исследований проанализированы датчики загрязняющих веществ по принципу работы, диапазону измерений, времени отклика, значению перенасыщения датчика и сроку службы [4]. Оценка датчиков загрязняющего вещества оксида углерода представлена в табл. 1.
Результаты. Из табл. 1 можно видеть, что значения одних и тех же параметров различны для разных производителей и по каждому из параметров наилучшие значения имеют датчики разных производителей. Предпочтительнее выглядят датчики Hanwei Electronics Co. Ltd со сроком службы более 60 мес., лучшим диапазоном измерений 10...20 ppm и приемлемым временем отклика -меньше 60 с.
Таблица 1. Датчики загрязняющего вещества оксида углерода (СО)
Table 1. The sensors for the pollutants carbon monoxide (CO)
Принцип работы Производитель Название датчика Диапазон измерений, ppm Время отклика, не более, с Значение перенасыщения датчика, ppm
CO/SF-1000 1000 < 40 2000
Membrapor CO/S-1000 1000 < 35 2000
CO/SF-4000-S 4000 < 40 20 000
CO-D4 1000 < 25 2000
Alphasense CO-CX 2000 < 40 4000
Электрохимический CO-CE 10 000 < 75 100 000
NT-CO 1000 < 30 2000
Nemoto & Co. Ltd NT-CO-2F 1000 < 30 2000
NAP-505-SS 1000 < 30 2000
Hanwei Electronics MQ7 10 < 60 10 000
Co. Ltd MQ-9 20 < 60 20 000
Выполненные исследования позволили выявить лучшие датчики для других приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха [5]:
- диоксида углерода - инфракрасные датчики производителя Winsen MH-Z19B со сроком службы более 60 мес., диапазоном измерений 0-0.5 % ppm и временем отклика менее 60 с;
- оксида азота - датчик NO-A1 производства Alphasense со сроком службы более 24 мес., диапазоном измерений 250 ppm и временем отклика менее 45 с;
- диоксида азота - датчик NO2-AI производителя Alphasense со сроком службы более 24 мес., диапазоном измерений 20 ppm, временем отклика менее 50 с;
- диоксида серы - датчик ME3-SO2 производителя Winsen со сроком службы более 24 мес., диапазоном измерений 20 ppm и временем отклика не более 30 с;
- формальдегида - датчик МЕЗ-СН2О производителя Winsen со сроком службы более 24 мес., диапазоном измерений 10 ppm и временем отклика не более 90 с.
Проведем обзор многокомпонентных газоанализаторов мониторинга атмосферного воздуха различных производителей и технических характеристик, рекомендованных для проведения экологических измерений (табл. 2).
Как видно из табл. 2, выпускаемые промышленностью газоанализаторы для определения концентрации вредных веществ в воздухе и проведения экологического мониторинга разнообразны. Прежде всего это связано со спецификой газоаналитической техники и многообразием анализируемых газовых смесей в различных производ-
ствах, разбросом диапазонов концентраций отдельных компонентов, разнообразием условий проведения анализа по температуре, давлению, влажности, скорости потоков газовых смесей.
Представленные в табл. 2 газоанализаторы имеют следующие преимущества:
- большое количество газов, концентрация которых определяется каждым прибором;
- понятный и удобный интерфейс для отображения информации;
- крепкий корпус устройства, что позволяет ему сохранять работоспособность при внешней деформации.
Однако помимо преимуществ указанные устройства имеют значительные недостатки:
- отсутствие возможности хранения измеренных результатов;
- система исчисления концентрации газов не соотнесена с нормами предельно допустимой концентрации, что затрудняет анализ полученных данных;
- нет возможности подключения к персональному компьютеру для анализа, хранения и отображения полученных данных;
- дороговизна оборудования.
В целом основными показателями для выбора датчика, наиболее пригодного к использованию в городской среде с целью постоянного мониторинга степени загрязнения воздуха, являются возможность комплексного исследования загрязнения атмосферного воздуха, срок службы и доступность сервисного обслуживания датчиков.
При выборе платформы для разработки аппаратной части системы мониторинга загрязнения атмосферного воздуха основными факторами слу-
Таблица 2. Обзор газоанализаторов для атмосферного мониторинга
Table 2. Overview of gas analyzers for atmospheric monitoring
Принцип работы Производитель Название газоанализатора Целевой газ Ориентировочная стоимость, р. Срок службы, мес.
Электрохимический Winsen, Китай ZE12 CO, H2S, NO2, SO2, O3 450 12
ООО "Промприбор-Р", РФ СИГМА-03.ДЭ СО, CH2O, NO2, O3 1280 12
ФГУП СПО "Аналит-прибор", РФ АНКАТ-7631 Микро СО, а2, NH3, №32, SО2, О2, H2S 560 36
Winsen, Китай ZE03 CO, SO2, NH3, H2S, O2 и др. 420 12
АО "ГосНИИхиманалит", РФ АНТ-3М CO, H2S, NO2, SO2, O3, NH3, H2S и др. 1050 24
Электрохимический и инфракрасный MRU GmbH, Германия OPTIMA7 О2, СО, СО2, NO, NO2, SO2, H2S, CH4 3450 24
MRU GmbH, Германия VarioPlus Industrial О2, СО, СО2, NO, NO2, SO2, H2S, CH4, Н2 11500 24
Ecotech, Австралия Серия Sermus 55 O3; CO; CO2; NOx, NH3, SO2, TRS, TS и HC 4790 24
Электрохимический ФАРМЭК, РБ ФП34 CH4, C3H8, CO, CO2, O2, H2S 508 120
Testo, Германия Testo 350 CO, NO, NO2, SO2, CO2, CxHy и H2S 4487 72
жат стоимость платы (микрокомпьютера), ее комплектация и удобство разработки. На основании проанализированных данных оптимальной платформой является Arduino Nano [6]. Микроконтроллер Arduino Nano обладает собственным процессором и памятью, снабжен множеством вводов и выводов, к которым могут быть подключены различные датчики, а также исполнительные устройства и механизмы. Важно отметить, что выбранная платформа адаптивна к различным модулям, расширяющим ее возможности в соответствии с необходимыми требованиями [7].
Кроме рассмотренных ранее датчиков загрязненности атмосферного воздуха в систему также подключены датчики давления, температуры и влажности. Передача данных от разработанного прибора осуществляется посредством четырехдиа-пазонного GSM/GPRS-модуля Shield. Для отслеживания местоположения и отображения данных на карте использован GPS-приемник GY-NEO6MV2.
Работа аппаратно-программного комплекса описывается следующими основными шагами: вылет беспилотного летательного аппарата по траектории, включающей наиболее загрязненные (или ожидаемые) точки; сбор данных от датчиков и передача сигнала по каналам связи на сервер;
обработка данных и построение карт загрязненности; создание прогнозных карт с учетом силы и направления ветра.
Созданный прибор может устанавливаться как стационарно, так и перемещаться при помощи беспилотных летательных аппаратов. Во втором случае получается возможность мобильной экологической диагностики на обширных территориях. Получаемые от датчиков данные о загрязненности атмосферного воздуха переводятся в интегральный показатель загрязнения воздуха, интерполируются по принципу линейного сглаживания и наносятся на карту (рис. 2).
Получаемые таким образом данные отличаются оперативностью, а построенные карты могут быть использованы в том числе для нахождения наиболее оптимального маршрута движения людей с точки зрения минимизации неблагоприятного воздействия окружающей среды [8].
Заключение. В результате проведенного исследования получены следующие основные результаты:
1. Проведен аналитический обзор и осуществлен выбор датчиков для экологической диагностики загрязнения атмосферного воздуха.
97
Рис. 2. Пример построения карты загрязненности воздуха на примере Минска Fig. 2. An example of building of air pollution map on the example of Minsk
2. Выполнен выбор микрокомпьютера и осуществлена разработка на его основе прибора мобильной экологической диагностики [9].
3. Разработано программное обеспечение для построения карт загрязненности атмосферного воздуха в режиме реального времени.
4. Предложена и программно реализована модель прогнозирования загрязнения атмо-
сферного воздуха с учетом силы и направления ветра.
5. Разработанный аппаратно-программный комплекс апробирован в реальных городских условиях для выбора оптимального маршрута движения людей с учетом неблагоприятного воздействия загрязнения на их здоровье [10].
Список литературы
1. Air Pollution in World: Real-time Air Quality Index Visual Map. URL: https://aqicn.org/map/world (дата обращения 19.02.2018)
2. Национальная система мониторинга окружающей среды Республики Беларусь: результаты и перспективы / В. И. Ключенович, М. Г. Герменчук, А. В. Бобко, М. А. Ересько, С. И. Кузьмин. Минск: "Бел НИЦ «Экология»", 2013. 36 с.
3. Афанасьев Д. С., Бардакова Е. А., Быстряков Д. С. Аналитический обзор датчиков летучих веществ для интернета вещей // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Т. 4, № 4. С. 1-12.
4. Датчики газов. URL: http://gas-sensor.ru/ (дата обращения 19.02.2018)
5. Газовые датчики и сенсоры. URL: http://www.gassensor.ru/ru/sensors (дата обращения 19.02.2018)
6. Arduino Nano. URL: http://arduino.ru/Hardware/ ArduinoBoardNano (дата обращения 19.02.2018)
7. Радиационно-экологический мониторинг / Государственное учреждение "Республиканский центр по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды" Минприроды Республики Беларусь. URL: http://rad.org.by/ (дата обращения 23.03.2018)
8. Быстряков Д. С., Ипатов О. С., Колбанев М. О. Система аромобезопасности // Технологии информационно-экономической безопасности: сб. ст. СПб.: Изд-во СПбГЭУ, 2016. С. 31-36.
9. Рыбак В. А., Рябычина О. П. Обзор методов и средств мониторинга загрязнения атмосферного воздуха // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Сер. Естественные и технические науки. 2018. № 4. С. 76-83.
10. Пат. BY 12070 U. МПК G01W 1/02 (2006.01). Погодная станция для мониторинга состояния автомобильных дорог: пат. на полезную модель / О. П. Рябычина, В. А. Рыбак, Амро Рабиа; опубл. 31.08.2019.
Информация об авторах
Рыбак Виктор Александрович - кандидат технических наук (2003), доцент (2009), заведующий кафедрой программного обеспечения сетей телекоммуникаций Белорусской государственной академии связи. Автор более 200 научных работ. Сфера научных интересов - применение систем поддержки принятия решений и искусственного интеллекта в социально-экономических системах.
Адрес: Белорусская государственная академия связи, ул. П. Бровки, д. 14-120, Минск, 220013, Республика Беларусь
E-mail: 6774338@tut.by
Рябычина Ольга Петровна - магистр технических наук (2016), старший преподаватель Белорусской государственной академии связи. Автор 25 научных работ. Сфера научных интересов - аппаратное и программное обеспечение систем экологического мониторинга и поддержки принятия решений. Адрес: Белорусская государственная академия связи, ул. П. Бровки, д. 14-120, Минск, 220013, Республика Беларусь
E-mail: olechkach@tut.by
References
1. Air Pollution in World: Real-time Air Quality Index Visual Map. Available at: https://aqicn.org/map/world (accessed 19.02.2018)
2. Klyu-chenovich V. I., Hermenchuk M. G., Bobko A.V., Yeresko M. A., Kuzmin S. I. National System of Environmental Monitoring of the Republic of Belarus: Results and Prospects. Minsk, Bel nits «Ecology», 2013, 36 p. (In Russ.)
3. Afanasiev D. S., Bardakova E. A., Bystryakov D. S. Analytical review of volatile substance sensors for the Internet of things. Information technologies and telecommunications. 2016, vol. 4, no. 4, pp. 1 -12. (In Russ.)
4. The gas sensors. Available at: http://gas-sensor.ru/ (accessed 19.02.2018)
5. Gas sensors and sensors. Available at: http://www.gassensor.ru/ru/sensors (accessed 19.02.2018)
6. Arduino Nano. Available at: http://ar-duino.ru/Hardware/ArduinoBoardNano (accessed 19.02.2018)
7. Radiation and Environmental Monitoring. State Institution "Republican Center for Hydrometeorology, Control of Radioactive Contamination and Environmental monitoring" of the Ministry of Natural Resources of the Republic of Belarus. Available at: http://rad.org.by/ (accessed 23.03.2018)
8. Bystryakov D. S., Ipatov O. S., Kolbanev M. O. System of Air Safety. Technologies of Information and Economic Security: SB. SPb., SPbGEU, 2016, pp. 16-22. (In Russ.)
9. Rybak V. A., Ryabychina O. P. Review of Methods and Means for Monitoring Atmospheric Air Pollution. Modern Science: Actual Problems of Theory and Practice. Series: Natural and Technical Sciences. 2018, no. 04, pp. 76-83. (In Russ.)
10. Ryabikin O. P., Rybak V. A., Amro Rabia Weather Station for Monitoring the State of Highways: Pat. for utility model. Pat. RU BY 12070 U. IPC G01W 1/02 (2006.01). Publ. 31.08.2019. (In Russ.)
Information about the Authors
Viktor A. Rybak, Cand. Sci. (Eng.) (2003), Associate Professor (2009), Head of the Department of Software for Telecommunications Networks of the Belarusian State Academy of Communications. The number of printed works is more than 200, including 13 monographs. His research interests include the application of decision support systems and artificial intelligence in socio-economic systems.
Address: Belarusian State Academy of Communications, 14-120 P. Brovki St., Minsk 220013, Republic of Belarus E-mail: 6774338@tut.by
Olga P. Ryabykina, Master. Sci. (Eng.) (2016), Senior lecturer of the Belarusian State Academy of Telecommunications. The number of printed works is 25, including 3 patents. His research interests include hardware and software for environmental monitoring and decision support systems.
Address: Belarusian State Academy of Communications, 14-120 P. Brovki St., Minsk 220013, Republic of Belarus E-mail: olechkach@tut.by
