Air quality evaluation using low-cost portable sensor node in indoor environment
Φόρτωση...
Ημερομηνία
2024-04-18
Συγγραφείς
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Σχολή Μηχανικών (ΣΜΗΧ), ΠΜΣ Μηχανικών Πληροφορικής
Επιβλέπων
Περίληψη
Air quality in large areas and especially in cities has been an issue of concern to the state and residents for decades, with the aim of ascertaining the situation and improving any problems that may arise, having developed common standards (AQI), surveillance and recording systems for decades. On the other hand, air quality in the places where we live, work, study, is not a key priority nor are there commonly accepted indicators by which the air of an enclosed space can be characterized as clean or harmful. Also, it is a fact that enclosed spaces differ significantly in air quality even, depending on their use even if they are very close. This creates the need for a large number of measuring stations and necessarily cheap ones to cover all spaces.
In this thesis, a record is made of the methods of air measurement, the elements they take into account and a method of assessing indoor air quality (IAQ) is proposed, taking into account the burden caused by human presence.
In addition, a device that uses the ESP32 microcontroller and a set of low cost, high accuracy sensors is designed, developed and tested. Its main purpose is to sense and send raw data of air metrics, using MQTT protocol, to a timeseries database for further processing. This device could be used to create a fog computing/sensor group, which could extend in a house or a larger building. It also proposes and develops a way of central monitoring (Grafana) of measurement stations and proposes a method of calculating the air quality index, with a centralized system and the use of machine learning algorithms like K-NN, that calculate the IAQ index of each station thus the room that is placed in, informing the inhabitants.
The proposal is interesting and shows prospects for implementation. In the future, it could be expanded by adding automatic positioning of a measuring station, immediate suggestions for improving air quality depending on the pollutant that is increased, or controlling devices that could improve air quality.
Η ποιότητα του αέρα σε μεγάλες περιοχές και ιδιαίτερα στις πόλεις απασχολεί εδώ και δεκαετίες το κράτος και τους κατοίκους, με στόχο τη διαπίστωση της κατάστασης και τη βελτίωση τυχόν προβλημάτων που μπορεί να προκύψουν, έχοντας αναπτύξει εδώ και δεκαετίες κοινά πρότυπα (AQI), συστήματα επιτήρησης και καταγραφής. Από την άλλη, η ποιότητα του αέρα στους χώρους όπου ζούμε, εργαζόμαστε, σπουδάζουμε, δεν αποτελεί βασική προτεραιότητα ούτε υπάρχουν κοινώς αποδεκτοί δείκτες με τους οποίους ο αέρας ενός κλειστού χώρου μπορεί να χαρακτηριστεί καθαρός ή επιβλαβής. Επίσης, είναι γεγονός ότι οι κλειστοί χώροι διαφέρουν σημαντικά στην ποιότητα του αέρα ακόμη, ανάλογα με τη χρήση τους ακόμα και αν είναι πολύ κοντά. Αυτό δημιουργεί την ανάγκη για μεγάλο αριθμό μετρητικών σταθμών και αναγκαστικά φθηνών για την κάλυψη όλων των χώρων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία καταγράφονται οι μέθοδοι μέτρησης του αέρα, τα στοιχεία που λαμβάνουν υπόψη και προτείνεται μέθοδος εκτίμησης της ποιότητας του αέρα εσωτερικών χώρων (IAQ), λαμβάνοντας υπόψη την επιβάρυνση που προκαλεί η ανθρώπινη παρουσία. Επιπλέον, σχεδιάζεται, αναπτύσσεται και δοκιμάζεται μια συσκευή που χρησιμοποιεί τον μικροελεγκτή ESP32 και ένα σύνολο αισθητήρων χαμηλού κόστους και υψηλής ακρίβειας. Ο κύριος σκοπός του είναι να ανιχνεύσει και να στείλει ανεπεξέργαστα δεδομένα μετρήσεων αέρα, χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο MQTT, σε μια βάση δεδομένων χρονοσειρών για περαιτέρω επεξεργασία. Αυτή η συσκευή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μιας ομάδας υπολογιστών / αισθητήρων ομίχλης, η οποία θα μπορούσε να επεκταθεί σε ένα σπίτι ή ένα μεγαλύτερο κτίριο. Επίσης, προτείνει και αναπτύσσει τρόπο κεντρικής παρακολούθησης (Grafana) των μετρητικών σταθμών και προτείνει μέθοδο υπολογισμού του δείκτη ποιότητας αέρα, με κεντρικό σύστημα και τη χρήση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης όπως το K-NN, που υπολογίζουν τον δείκτη IAQ κάθε σταθμού με αποτέλεσμα την αίθουσα στην οποία τοποθετείται, ενημερώνοντας τους κατοίκους. Η πρόταση είναι ενδιαφέρουσα και παρουσιάζει προοπτικές εφαρμογής. Στο μέλλον, θα μπορούσε να επεκταθεί με την προσθήκη αυτόματης τοποθέτησης ενός σταθμού μέτρησης, άμεσων προτάσεων για τη βελτίωση της ποιότητας του αέρα ανάλογα με τον ρύπο που αυξάνεται ή συσκευών ελέγχου που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ποιότητα του αέρα.
Η ποιότητα του αέρα σε μεγάλες περιοχές και ιδιαίτερα στις πόλεις απασχολεί εδώ και δεκαετίες το κράτος και τους κατοίκους, με στόχο τη διαπίστωση της κατάστασης και τη βελτίωση τυχόν προβλημάτων που μπορεί να προκύψουν, έχοντας αναπτύξει εδώ και δεκαετίες κοινά πρότυπα (AQI), συστήματα επιτήρησης και καταγραφής. Από την άλλη, η ποιότητα του αέρα στους χώρους όπου ζούμε, εργαζόμαστε, σπουδάζουμε, δεν αποτελεί βασική προτεραιότητα ούτε υπάρχουν κοινώς αποδεκτοί δείκτες με τους οποίους ο αέρας ενός κλειστού χώρου μπορεί να χαρακτηριστεί καθαρός ή επιβλαβής. Επίσης, είναι γεγονός ότι οι κλειστοί χώροι διαφέρουν σημαντικά στην ποιότητα του αέρα ακόμη, ανάλογα με τη χρήση τους ακόμα και αν είναι πολύ κοντά. Αυτό δημιουργεί την ανάγκη για μεγάλο αριθμό μετρητικών σταθμών και αναγκαστικά φθηνών για την κάλυψη όλων των χώρων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία καταγράφονται οι μέθοδοι μέτρησης του αέρα, τα στοιχεία που λαμβάνουν υπόψη και προτείνεται μέθοδος εκτίμησης της ποιότητας του αέρα εσωτερικών χώρων (IAQ), λαμβάνοντας υπόψη την επιβάρυνση που προκαλεί η ανθρώπινη παρουσία. Επιπλέον, σχεδιάζεται, αναπτύσσεται και δοκιμάζεται μια συσκευή που χρησιμοποιεί τον μικροελεγκτή ESP32 και ένα σύνολο αισθητήρων χαμηλού κόστους και υψηλής ακρίβειας. Ο κύριος σκοπός του είναι να ανιχνεύσει και να στείλει ανεπεξέργαστα δεδομένα μετρήσεων αέρα, χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο MQTT, σε μια βάση δεδομένων χρονοσειρών για περαιτέρω επεξεργασία. Αυτή η συσκευή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μιας ομάδας υπολογιστών / αισθητήρων ομίχλης, η οποία θα μπορούσε να επεκταθεί σε ένα σπίτι ή ένα μεγαλύτερο κτίριο. Επίσης, προτείνει και αναπτύσσει τρόπο κεντρικής παρακολούθησης (Grafana) των μετρητικών σταθμών και προτείνει μέθοδο υπολογισμού του δείκτη ποιότητας αέρα, με κεντρικό σύστημα και τη χρήση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης όπως το K-NN, που υπολογίζουν τον δείκτη IAQ κάθε σταθμού με αποτέλεσμα την αίθουσα στην οποία τοποθετείται, ενημερώνοντας τους κατοίκους. Η πρόταση είναι ενδιαφέρουσα και παρουσιάζει προοπτικές εφαρμογής. Στο μέλλον, θα μπορούσε να επεκταθεί με την προσθήκη αυτόματης τοποθέτησης ενός σταθμού μέτρησης, άμεσων προτάσεων για τη βελτίωση της ποιότητας του αέρα ανάλογα με τον ρύπο που αυξάνεται ή συσκευών ελέγχου που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ποιότητα του αέρα.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
pollutant, sensor, machine learning, indoor air quality, ρύπος, αισθητήρας, μηχανική μάθηση, ποιότητα αέρα εσωτερικών χώρων