CC BY
26
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив Серия В. Техника и технологии, том XIII., Съюз на учените, сесия 5 - 6 ноември 2015 Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XIII., Union of Scientists, ISSN 1311-9419, Session 5 - 6 November 2015.
СИСТЕМА ЗА ИЗМЕРВАНЕ И МОНИТОРИНГ НА КАЧЕСТВОТО
НА ВЪЗДУХА Димитър Токмаков1, ВенциславНачев1 Славчо Божков2 Шловдивски Университет „Паисий Хилендарски" 2Технически колея« гр.Смолян
SYSTEM FOR MEASURING AND MONITORBNGAIR QUALITY
PARAMETERS Dimitar Tokmakov1, Vencislav Nachev1, Slavcho Bozhkov2 University of Plovdiv "Paisii Hilendarski", Plovdiv, Bulgaria 2Technical College, Smolyan, Bnl garia
Abstrct: Detection of dangerous particulate matter in ambient air has proven to be an expensiveand time consuming process. As a result, a low-cost, yet effective, preliminary screeningsolution is necessary. The system developed utilizes a laser particle counter to capturesamples of ambient air.The systems collects samples of another 2 sensors for temperature and humidity and for CO2 concentration.Information collected by microcontroller is then passed to a remote server by Wi-Fi module using internet for further processing and backup. The proposed system is suitable for air quality monitoring for both inside and outside use.
Keywords: laser particle counter, CO2 measurement, Wi-Fi module, remote data backup and processing
Въеедение:Съвременното развитие на комуникационните технологии, безжичните сензорни мрежи и концепцията „интернет на нещата" („Internet of things") водят до широкото им приложение в различни области науката,техниката и бита.Едно от основните им приложения отдалеченото измерване на физични величини като температура, влажност и налягане, както и интеграция към вече съществуващи измервателни системи.
Праховите частици (аерозоли) са основният и най-масов атмосферен замърсител, главен компонент при формирането на "замъгленост" и/или смог. Те са сериозен проблем за качеството на атмосферния въздух в много райони, което създава потенциален риск за здравето на експонираното на повишени нива на атмосферен прах население.Вредният здравен ефект на праха зависи главно от размера и химичния състав на суспендираните прахови частици, от адсорбираните на повърхността им други химични съединения, в това число мутагени, ДНК - модулатори и др., както и от участъка на респираторната система, в която те се отлагат.Основни източници на прах са промишлеността, транспорта и енергетиката.
Отдалеченото измерване на концентрацията на фини прахови частици PM10 и PM2.5 в реално време със задоволителна точност и предаването на данните към система за 222
съхранение, мониториране и обработка е нерешен проблем, който се опитваме да адресираме с настоящата разработка.
Материали и методи: Основните методи за измерване на концентрацията на ФПЧ в атмосферния въздух са:гравимeтричен, трибоелектрически и оптичен.
Гравиметричният метод се използва като референтен метод за измерване на прах и за калибриране на други измервателни уреди.Принципа на работа е основан на прецизно измерване на теглото на филтър, през който е преминал под налягане изследвания газ (въздух) нагнетен от специална помпа. Спазват се условия за обема преминал газ m3/min, налягане, температура, влажност и др.
Методът има редица недостатъци като: големи размери и тегло на измервателната апаратура, висока цена, невъзможност за работа в реално време и трудна мобилност.
Трибоелектрическия метод за измерване на концентрацията на фини прахови частици се базира на взаимодействието на праховите частици във въздушен поток с изолиран електрод.При преминаването и взаимодействието с изолирания електрод се генерира променливо електростатично напрежение с амплитуда пропорционална на броя преминали фини прахови частици. Честотата на генерираното напрежение е в даден честотен диапазон, което прави възможно прилагането на електронен филтър за филтриране на шума в системата.
Оптичния метод за измерване на фини прахови частици, който е предмет на изследване и използване от настоящето система се базира на принципа на дифракцията на инфрачервено лазерно лъчение - разсейване на светлината (light scattering)^Hr.1. Принципът е следният -когато инфрачервен лазерен лъч преминава през чист въздух ,лъчът е невидим. Лъчът се вижда тогава, когато се пречупва от частици по пътя си. Колкото „по-видим" става лъчът, толкова по-висока е плътността на частиците през конто минава.
Въздушен поток
i
Фиг.1 Оптичен принцип за измерване на фини прахови частици PM10, PM2.5
Сензорът представлява лавинен фотодиод свързан към подходящ усилвател. Използва се инфрачервен лазерен светодиод за да се избегне интерференция с дневната светлина, която може да попадне в измервателния обем през входа за въздуха.
Лазерният диод, сензора и колиматорните лещи се поставят в горно положение , за да се предотврати попадането и отлагането на прах върху оптичните елементи , когато източникът на въздушния поток е изключен. Малък нагревател затопля въздуха в предната част на сензора за да се генерира постоянен въздушен поток. Оптималният ъгъл между източника и сензора е резултат от експерименти.
Всяка частица , която преминава през лазерния лъч дифрактира част от светлината към сензора и когато въздушния поток е константа, ширина на измервания от фотодиода импулс се използва за класифициране на частиците по размер.
На фиг.2 е показана блоковата схема на разработената и реализирана измервателна
система.
Фиг.2 Блокова схема на измервателна система за качество на въздуха
Измервателната система се състои от оптичен лазерен сензор за фини прахови частици SDS011 на фирмата PM Nova, цифров полупроводников сензор за температура и относителна влажносЮНТ22, NDIR CO2 сензор за концентрация на CO2, микроконтролер ATMEGA324, SPI TFT 2.2" цветен дисплей за изобразяване на резултатите от измерванията, Wi-Fi модул ESP8266 и захранващ блок. Сензорът SDS011 на PM Nova измерва концентрацията на фини прахови частици PM10 с големина 10цт в диапазона от 0-999mg/m3, както и PM25 - 2.5цт в диапазона от 0-999mg/m3. Сензорът има 2 PWM и един сериен Rx,Tx интерфейса.
NDIR С02сензора измерва концентрацията на CO2 във въздуха използващ недисперсионен инфрачервен метод. Сензорът работи в диапазона от 0-5000ppm, с точност ±50ppm±5%. Сензорът има PWM и сериен Rx,Tx интерфейси. За измерване на температурата на въздуха и относителната влажност се използва DHT22(AM2302), който представлява капацитивен цифров сензор. DHT22 измерва температура от -40° до 80° С и относителна влажност на въздуха в диапазон 0% - 99%. Има предварително калибриран цифров изход и се отличава с голяма надеждност и стабилност. Захранващото напрежение е 3.3V-5V, консумацията на ток 500иА,точността на измерване при влажност е +/- 2%, а при температура +/- 0.5%. Интерфейсът на сензора е 1-Wire, честотата на опресняване е 1Hz. За визуализиране на данните от измерванията в реално време се използва QVGA SPI 2.2" TFT дисплей с резолюция 240x320.
Микроконтролерът ATMEGA 328 събира данните от различните сензори, визуализира ги върху TFT дисплея в реално време и ги изпраща данните към сървър в Интернет чрез Wi-Fi модула ESP8266 свързан чрез сериен интерфейс, като комуникацията се осъществява чрез Rx и Tx сигнали.
Резултати и обсъждане: На фиг. 3 и 4 са показани данните измервани от системат, изпращани към сървър в интернет за обработка и съхранение.
РМ10= Э. 5 ug/n 3 РМ25= 6- 5 ug/nA3 ТЕМР= £0- 9 С HUMI = 47. 0 3SRH
CÜ2 = 486- 0 ?pvi
192. 168. 1. 108 ШП CONNECTED
Фиг.3 Резултати от изпратените на сървъра данни за температурата на всеки 60сек.
Фиг.4. WEB интерфейс за графично представяне на данните от измерванията в отдалечения сървър
Заключение:Представената в настоящата работа измервателна система измерва ] реално време нивата на запрашеност на въздуха с частици с големина PM10, PM2.5 съдържанието на CO2, температура и относителна влажност и изпраща данните към отдалечен сървър в интернет за последваща обработка, архивиране и наблюдение.
Авторите изказват благодарност за финансовата подкрепа на договор №СП15 ФФИТ-009/24.04.2015 Фонд "НИ" на ПУ.
Използвана литература:
[1].Kolban's book on ESP http://neilkolban.com/tech/esp8266/
8266,
Neil Kolban, November 2015
