Экомониторинг на ARM-процессоре | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 18 июля, печатный экземпляр отправим 22 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Рубрика: Информационные технологии

Опубликовано в Молодой учёный №21 (311) май 2020 г.

Дата публикации: 20.05.2020

Статья просмотрена: 10 раз

Библиографическое описание:

Шадрина, Т. М. Экомониторинг на ARM-процессоре / Т. М. Шадрина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 21 (311). — С. 75-77. — URL: https://moluch.ru/archive/311/70390/ (дата обращения: 09.07.2020).



В статье описана разработка датчика экомониторингауровня загрязненности воздуха на АRM-процессоре.

Ключевые слова: экомониторинг; загрязнение воздуха; Raspberry Pi.

В настоящее время из-за бурной хозяйственной деятельности человека, а также из-за негативных природных явлений (пожары, пыльные бури) значительно ухудшается состояние воздуха, что чаще всего выражается в повышенном содержании пыли и вредных веществ. В глобальном плане для мониторинга атмосферного воздуха используются специализированные геоинформационные аналитические системы. Поскольку качество воздуха является одним из важнейших аспектов, влияющих на здоровье человека, важно оценивать состояние воздуха не только в глобальных масштабах, но и локально, непосредственно в рабочих и жилых помещениях.

Основными загрязнителями воздуха являются мелкие твёрдые частицы (пыль), а также примеси, которые оказывают наибольшее воздействие на людей. Частицы диаметром 10 микрон и меньше могут проникать и оседать глубоко в легких, но еще более опасными для здоровья являются частицы диаметром 2,5 микрона и менее, они могут проникать не только в легкие, но и кровеносную систему, что значительно повышает риск развития болезней сердца и респираторных заболеваний, а также рака легких. [1]

Исходя из вышеописанного необходимо своевременно выявлять загрязнение и его степень и принимать меры по его устранению. Причем, данные, полученные в процессе мониторинга, желательно отображать в доступной для начинающего пользователя форме. Для этого необходимы недорогие и компактные приборы для повседневного пользования.

Поэтому было принято решение разработать датчик экомониторинга уровня загрязненности воздуха на АRM-процессоре, который можно использовать локально. Экологический мониторинг (экомониторинг) — комплексные наблюдения за состоянием окружающей среды. Значимой частью прибора является датчик, способный измерять необходимые параметры окружающей среды, чтобы установить уровень загрязнения воздуха. В данном проекте нас будут интересовать прежде всего уровни ПДК (предельно допустимая концентрация) составляющих загрязнений, так как именно по ним можно оценить состояние окружающей среды на данный момент и принять меры по повышению ее качества. Одной из основных целей проекта является отображение полученных данных на веб-сервере в удобной для восприятия форме.

Для реализации проекта использовано следующее оборудование.

Аппаратная часть измерителя построена на одноплатном компьютере с ARM процессором, имеющим размеры соизмеримые с банковской картой. ARM-процессор — это центральное процессорное устройство, основанное на RISC-архитектуре. RISC (reduced instruction set computer) — данная архитектура имеет сокращенный набор команд, которые имеют один формат и отличаются простой кодировкой. [2] В данной работе в качестве одноплатного компьютера использован Raspberry Pi.

Для записи операционной системы и хранения данных используется SD-карта, так как Raspberry Pi поставляется без операционной системы.

Используется плата расширения Breakout Garden. Она позволяет подключать совместимые платы с Breakout Garden через шесть разъёмов со встроенной защитой от обратной полярности и устанавливать их с помощью скрипта автоматической установки. Используемый скрипт — это последовательность действий, описанных с помощью скриптового языка программирования (JavaScript, PHP, Perl, Python и др.) для автоматического выполнения определенных задач.

В качестве измерителя параметров использован контроллер Pimoroni BME680 с переходной платой. BME680 предназначен для измерения параметров окружающей среды. Он позволяет определять следующие характеристики: температура, давление и влажность, а также оценивать качество воздуха (наличие и концентрация различных примесей), что является основной целью данного проекта.

Нормальным атмосферным давлением считается 101 325 Па (≈ 101 кПа). Выбранный датчик способен измерить давление от 300 до 1100 кПа с разрешением 0,18 Па. В диапазоне температур от 0 до +65 °С сенсор характеризуется абсолютной погрешностью ± 0,6 кПа.

Рабочий диапазон датчика температуры составляет от -40 до +85 °С. Абсолютная точность в диапазоне от 0 до +65 °С составляет ±1 °С.

Датчик влажности работает в диапазоне от 0 до 100 % с абсолютной точностью ± 3 % (температура от 0 до +65 °С).

BME680 имеет встроенный металло-оксидный датчик (Metal Oxide Semiconductor) органических летучих веществ. Это датчик резистивного типа, сопротивление поверхности которого зависит от содержания в воздухе летучих органических веществ (ацетон, этанол, продукты дыхания, изопрен, и т. д). Сопротивление датчика измеряется, оцифровывается 20-битным аналого-цифровым преобразователем и фильтруется. Так как информация, полученная с датчика не совсем удобна для дальнейшего использования, то данные преобразуются с помощью программных алгоритмов в баллы качества воздуха IAQ (Indoor air quality). [3]

По таблице 1, приведённой ниже, можно определить состояние воздуха в помещении и принять меры, если качество воздуха оценивается как «ниже среднего» и IAQ составляет 101 и более баллов.

Таблица 1

Оценка качества воздуха

IAQ

Качество воздуха

0–50

Хорошее

51–100

Среднее

101–150

Ниже среднего

151–200

Неудовлетворительное

201–300

Плохое

301–500

Очень плохое

В целом для изготовления системы экомониторинга понадобится следующее оборудование:

1) Raspberry Pi

2) Карта Micro-SD

3) Блок питания, кабель, кабель Ethernet

4) Датчик Pimoroni BME680 с переходной платой

5) Плата расширения Breakout Garden

Теперь перейдём к описанию процесса сборки данного прибора.

Последовательно соединяем вместе выбранные элементы. Так как датчик измерения параметров окружающей среды взят с переходной платой, то просто подключаем датчик к Raspberry Pi. В дальнейшей реализации проекта необходима разработка определённого программного обеспечения. В данной работе рассматривается общий план проекта экомониторинга.

Необходимо установить операционную систему на SD-карту. С Raspberry Pi совместимы множество различных операционных систем, в качестве базовой используют одну из версий Linux. Далее создаём новое приложение, выбрав тип устройства и тип приложения. После завершения процесса установки вставляем SD-карту в Raspberry Pi и подключаем источник питания. Структурная схема системы экомониторинга представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема системы экомониторинга

После загрузки устройство подключается к панели мониторинга. Следующим шагом является установка CLI (Command Line Interface) — интерфейса командной строки. В CLI вписываются команды, с помощью которых и производится настройка, а в дальнейшем и управление датчиком.

Далее представлена последовательность процесса установки веб-сервера на Raspberry Pi. Команды, с помощью которых выполняется установка и настройка опущены, поскольку они не являются основой данного проекта.

1) Устанавливаем веб-сервер nginx на Raspberry Pi. Nginx — это программное обеспечение с открытым исходным кодом для веб-сервера.

2) Устанавливаем PHP на Raspberry Pi. PHP — скриптовый язык общего назначения, применяемый для разработки веб-приложений.

3) Устанавливаем MySQL на Raspberry Pi. MySQL — это реляционная система управления базами данных с открытым исходным кодом.

4) Настраиваем nginx. Вводим в браузере IP нашей Raspberry Pi.

Установка и настройка веб-сервера на Raspberry Pi завершена.

В итоге проделанной работы получается датчик экомонитооринга, который собирает данные и с помощью веб-сервера позволяет пользователю зайти на станцию и посмотреть полученную информацию в настоящий момент времени. На веб-странице в наглядной форме отображаются температура, влажность, давление, а также оценка качества воздуха (см. рис. 2).

Рис. 2. Вариант исполнения пользовательского интерфейса

В случае дальнейшей разработки экодатчики можно использовать как в домашних условиях, так и на рабочих местах в цехах, офисах, поликлиниках, адаптировав отображение информации на веб-страницах под определённую специфику. При организации единой сети, возможно использование экодатчиков на улицах города для сбора информации о качестве воздуха в различных городских микрорайонах. Таким образом локальный мониторинг состояния окружающей среды будет доступен для пользования граждан.

Литература:

  1. Всемирная организация здравоохранения. Как загрязнение воздуха разрушает наше здоровье. 2020. URL: https://www.who.int/ru/air-pollution/news-and-events/how-air-pollution-is-destroying-our-health (дата обращения: 10.03.2020)
  2. Медиагруппа. Что такое ARM. 2013–2020. URL: https://androidinsider.ru/polezno-znat/chto-takoe-arm.html (дата обращения: 10.03.2020)
  3. Терраэлектроника. BME680 — новый датчик параметров среды. 2004–2020. URL: https://spb.terraelectronica.ru/news/5048 (дата обращения: 15.03.2020)
Основные термины (генерируются автоматически): IAQ, PHP, окружающая среда, качество воздуха, CLI, состояние воздуха, переходная плата, операционная система, абсолютная точность, одноплатный компьютер.


Ключевые слова

загрязнение воздуха, экомониторинг, Raspberry Pi

Похожие статьи

Анализатор воздуха на платформе Arduino | Статья в журнале...

Анализ влияния «качества» воздуха на здоровье человека.

Система повышения качества жилой среды | Статья в журнале...

Действительно, актуальной проблемой развития общества является качество окружающей среды, так как здоровье зависит не только от...

Информационная система для моделирования распространения...

Состояние окружающей среды оказывает огромное влияние на жизнь всех живых существ на планете. Выбросы вредных веществ в атмосферу негативно сказываются на состоянии атмосферного воздуха, являющегося жизненно важным компонентом природы.

Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха Астаны

В статье описывается качество атмосферного воздуха в Астане.

В статье описывается качество атмосферного воздуха в Астане. В ходе исследования в период

Атмосферное состояние Астаны определяется объемом выбросов производственных предприятий и частиц...

Загрязнение окружающей среды предприятиями-изготовителями...

Рассмотрены актуальность и цель построения системы экологического менеджмента на предприятиях отечественной радиоэлектроники, для предотвращения вредного воздействия на окружающую среду.

Микробиологический анализ воздуха в школьном помещении

Состояние здоровья человека зависит от многочисленных факторов окружающей среды. Важным объектом среды обитания, способным оказать существенное влияние на здоровье является воздушная среда.

Европейские, американские и российские нормативные...

Качество воздуха (IAQ) является одной из главных экономических и санитарно-гигиенических характеристик среды обитания каждого человека. От его показателей зависит качество труда, здоровье и производительность. Поэтому любое инженерное мероприятие по обеспечению...

Комплексный экологический мониторинг – фундамент...

— природные среды (атмосферный воздух, поверхностные воды суши, морские воды, почва

— источники антропогенного воздействия, приводящие к поступлению в окружающую среду

Качество воздушного бассейна на территории Тоснеского района проводили различными...

Операционные системы мобильных мультимедиа устройств для...

Наше исследование — рассмотрение операционных систем мобильных мультимедиа устройств и возможность их

Рассмотрены операционные системы, присутствующие на рынке сегодня, выявлены их достоинства и недостатки, в

В отличие от настольных компьютеров, тут важно...

Дистанционный контроль и оценка воздушной среды в помещениях

Существующие системы эффективно справляются со своей работой. Однако, контроль с помощью таких систем зачастую требует все большего человеческого участия.

Показания датчика подвержены влиянию температуры и влажности окружающего воздуха.

Похожие статьи

Анализатор воздуха на платформе Arduino | Статья в журнале...

Анализ влияния «качества» воздуха на здоровье человека.

Система повышения качества жилой среды | Статья в журнале...

Действительно, актуальной проблемой развития общества является качество окружающей среды, так как здоровье зависит не только от...

Информационная система для моделирования распространения...

Состояние окружающей среды оказывает огромное влияние на жизнь всех живых существ на планете. Выбросы вредных веществ в атмосферу негативно сказываются на состоянии атмосферного воздуха, являющегося жизненно важным компонентом природы.

Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха Астаны

В статье описывается качество атмосферного воздуха в Астане.

В статье описывается качество атмосферного воздуха в Астане. В ходе исследования в период

Атмосферное состояние Астаны определяется объемом выбросов производственных предприятий и частиц...

Загрязнение окружающей среды предприятиями-изготовителями...

Рассмотрены актуальность и цель построения системы экологического менеджмента на предприятиях отечественной радиоэлектроники, для предотвращения вредного воздействия на окружающую среду.

Микробиологический анализ воздуха в школьном помещении

Состояние здоровья человека зависит от многочисленных факторов окружающей среды. Важным объектом среды обитания, способным оказать существенное влияние на здоровье является воздушная среда.

Европейские, американские и российские нормативные...

Качество воздуха (IAQ) является одной из главных экономических и санитарно-гигиенических характеристик среды обитания каждого человека. От его показателей зависит качество труда, здоровье и производительность. Поэтому любое инженерное мероприятие по обеспечению...

Комплексный экологический мониторинг – фундамент...

— природные среды (атмосферный воздух, поверхностные воды суши, морские воды, почва

— источники антропогенного воздействия, приводящие к поступлению в окружающую среду

Качество воздушного бассейна на территории Тоснеского района проводили различными...

Операционные системы мобильных мультимедиа устройств для...

Наше исследование — рассмотрение операционных систем мобильных мультимедиа устройств и возможность их

Рассмотрены операционные системы, присутствующие на рынке сегодня, выявлены их достоинства и недостатки, в

В отличие от настольных компьютеров, тут важно...

Дистанционный контроль и оценка воздушной среды в помещениях

Существующие системы эффективно справляются со своей работой. Однако, контроль с помощью таких систем зачастую требует все большего человеческого участия.

Показания датчика подвержены влиянию температуры и влажности окружающего воздуха.

Задать вопрос