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Wie können Vernetzte Sensoren und IoT in der Zeit der Luftverschmutzung helfen

Die von der modernen, industriellen Gesellschaft verursachte Verschmutzung wurde zu einem ernsthaften Problem. Dieser Artikel beschreibt, wie die aus preisgünstigen, intelligenten Sensoren bestehenden vernetzten Netzwerke eine wichtige Rolle in der Handhabung und Minderung der Folgen der Luftverschmutzung spielen können.

Wie können Vernetzte Sensoren und IoT in der Zeit der Luftverschmutzung helfen

Luftverschmutzung kann Symptome wie Husten oder Kurzatmigkeit verursachen oder verschlimmern. Sie kann Asthmaanfälle auslösen und das Risiko von einem vorzeitigen Tod bei Menschen mit Lungen- und Herzkrankheiten erhöhen.
Etwa neun Millionen Todesfälle weltweit sind jedes Jahr der Luftverschmutzung zurückzuführen. Mehr als 90% der Bevölkerung der Welt lebt an Orten, wo das Niveau der Luftverschmutzung die Richtlinie der Weltgesundheitsorganisation (WHO) überschreitet.
Die Risikogruppen sind junge und ältere Menschen sowie Menschen mit Vorerkrankungen. Einem höheren Risiko sind auch Menschen ausgesetzt, die Sportaktivitäten draußen treiben.

Technologien zur Behandlung der Verschmutzung
Die Hauptursachen dieser Probleme sollen global gelöst werden durch Umstieg in “sauberere” Treibstoffe, Überwachung der Emissionen und Erhöhung der Energieeffizienz.
Der Politikwandel zur Reduzierung der Emissionen wird langsam umgesetzt. Beispielsweise planen viele Länder, die mit fossilen Brennstoffen betriebenen Fahrzeuge zu eliminieren. Dies wird jedoch nicht innerhalb eines Jahrzehntes oder einer noch längeren Zeit in Kraft treten – und es wird noch länger dauern, bis alle bereits existieren Fahrzeuge ersetzt werden.

Eingebettete Systeme und Berechnung haben in den angeforderten Technologien eine bestimmte Rolle zu erfüllen. Zum Bespiel sind eingebettete Prozessoren essenzielle Komponenten der Elektrofahrzeuge für solche Funktionen wie Motorüberwachung und Batteriemanagement. Fertigungswerke und Büros können durch fortgeschrittene Automatisierung energieeffizienter werden.

Bürogebäude nutzen bereits passive Infrarot-Sensoren (PIR) um herauszufinden, ob Menschen in einem bestimmten Bereich des Gebäudes präsent sind und die Beleuchtung und die Raumtemperatur entsprechend anzupassen. Das Hinzufügen der CO2-Sensoren würde genauere und intelligentere Entscheidungen in Bezug auf die Nutzung des Gebäudes und weitere Energieeinsparungen ermöglichen.

Elektronische Geräte können auch eingesetzt werden, um kurzfristige Minderungsstrategien umzusetzen, während die größeren Probleme behandelt werden.

Überwachung der Verschmutzung
Es gibt Bedarf an einer genauen Verschmutzungsüberwachung. Wenn die Einzelpersonen der lokalen Luftqualität bewusst sind, können sie agieren, um ihren eigenen Einfluss zu minimieren. Zum Beispiel kann das Vermeiden der meist verkehrsreichen Straßen das Niveau der Verschmutzung halbieren, dem wir ausgesetzt sind.

Eine langfristige Analyse der gesammelten Daten kann die Orte mit durchgehend guter oder schlechter Luftqualität identifizieren. Dies kann zur zukünftigen Planung der Wohngebäude, Schulen und Fabriken einen Beitrag leisten.
In der Vergangenheit hätte eine genaue Messung eine teure und sperrige Laborausstattung erfordert. Heute sind viele Sensortypen jedoch als kleine elektronische Einheiten verfügbar. Dies umfasst:

• Optische Partikelzähler, die die Partikelverunreinigung durch das von den Partikeln zerstreute Licht erkennen.
• Optische Sensoren, die Gase wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid durch die Absorption des Infrarot-Lichtes erkennen.
• Metalloxid-Halbleitersensoren, die die Präsenz von Gasen durch die Leitwertänderung der Halbleiterschicht feststellen

Zusammen mit einem Mikrocontroller können sie zum Aufbau kleiner, preisgünstiger Geräte zur Überwachung und Verfolgung des Verunreinigungsniveaus. Ein Basisdesign eines solchen Systems wird weiter beschrieben.

Mit der Bluetooth- oder WLAN-Verbindung können die IoT-Netze solcher Sensoren zu einer verteilten Überwachung über größere Flächen genutzt werden. Dies kann Probleme identifizieren, wie z.B. verkehrsbedingte Verunreinigung in der Nähe der Schulen oder die Orte, an denen die Emissionen der Fertigungswerke die meisten Verschmutzungen verursachen.

Verunreinigungsarten und ihre Krankheitsrisiken
In vielen Städten sind die Automobile an der Luftverschmutzung am meisten beteiligt. Die wichtigen schädlichen Gase, die von den Fahrzeugen erzeugt werden, sind Schwefeldioxid (SO2) und die Mischung von Stickoxiden (NOx). Sie können die Atem- und Herzfunktionen beeinträchtigen. Die Dieselmotoren werden hier besonders beobachtet, weil sie noch große Mengen an Partikeln ausstoßen.

Die Partikeln umfassen Mischungen von luftübertragenen festen und flüssigen Teilchen. Die Partikelverunreinigung ist oft als ein Nebel sichtbar, insbesondere, wenn sie zur Entstehung vom Smog beiträgt. Sonst ist sie unsichtbar und kann nur mit einer entsprechenden Ausstattung gemessen werden.

Die Partikelgröße ist mit ihrem Potenzial direkt verbunden, die Gesundheitsprobleme zu verursachen. Kleine Partikeln mit einem Durchmesser kleiner als 2,5 µm (als PM2.5 bekannt) bereiten die größten Probleme, weil sie tief in die Lungen oder sogar in den Blutkreislauf eindringen können.

In Asien ist das Verbrennen von Kohle und Holz die wichtigste Quelle zur Wärme- und Stromerzeugung. Kohle setzt Schadstoffe wie SO2, Schwermetalle und Partikeln frei.

Fossile Brennstoffe generieren ebenfalls flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOC). Es sind giftige Verbindungen wie Benzol, Formaldehyd und andere, die als Gase in der Atmosphäre existieren können. Viele davon sind bekannte Krebserreger. Sie kommen auch in anderen Quellen vor, insbesondere in den Farben und Baustoffen.

Design eines mobilen Verunreinigungsüberwachungsgeräts
Ein IoT-Gerät kann entwickelt werden, um die Luftqualität in der Echtzeit zu überwachen und zu analysieren (Abbildung 1). Die Messungen von einem oder mehreren Sensoren können im Gerät angezeigt werden. Dies kann durch eine einfache numerische LED zur Anzeige des gemessenen Wertes erfolgen oder aber durch ein LCD-Touchscreen, um detailliertere Informationen darzustellen und die Interaktion mit dem Benutzer zu ermöglichen.

Da das Gerät eine begrenzte Speicherkapazität hat, soll es eine WLAN-Verbindung nutzen, um die Daten auf eine Cloud hochzuladen – dadurch wird die Datenverteilung und –integration von mehreren Geräten ermöglicht.
Das Gerät kann einen Signalton erzeugen, wen nein voreingestelltes Niveau der Partikelverschmutzung festgestellt wird. Dieser Schwellenwert kann an die Bedürfnisse der Individualperson angepasst werden (zum Beispiel, ein Asthma-Erkrankter braucht eine frühere Warnung als gesunde Menschen).

Dieser Alarm-Schwellenwert kann also zur Überwachung anderer Systeme verwendet werden. Beispielsweise kann er ein Lüftungssystem einschalten oder eine Textnachricht mit der Warnung versenden.

Weitere Sammlung, Analyse und Visualisierung der Daten kann mit den Cloud-Verarbeitungsdiensten durchgeführt werden. Die Ergebnisse können durch einen Web-Server von jedem mobilen Gerät oder Rechner zugegriffen werden.


Wie können Vernetzte Sensoren und IoT in der Zeit der Luftverschmutzung helfen
Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines IoT-Geräts zur Überwachung und Analyse der Luftqualität in der Echtzeit

Geeignete Mikrocontroller-Boards werden von Halbleiter-Händlern und Dritten verkauft. Es gibt einige Standards, wie z.B. Arduino, die Formfaktoren, Schnittstellen, Pinbelegung, usw. festlegen. Dies führte zu einem Boom für kompatible Untersysteme, Entwicklungstools und Anwendungs-Software. Unterstützung wird sowohl von Verkäufern, als auch der Nutzer-Communities angeboten. So ist es einfach und preisgünstig, eine neue Produktidee in einen Prototyp umzusetzen. Dieselbe Hardware kann sogar für eine Kleinserienfertigung verwendet werden.

Es gibt viele Low-Cost-Sensoren, die als gebrauchsfertige Module vertrieben werden, mit seriellen oder analogen Standard-Schnittstellen. Dies ermöglicht eine einfache Verbindung mit dem Mikrocontroller.
Zum Beispiel ist der Waveshare MQ135 gas sensor (Abbildung 2) ein Metalloxid-Halbleitersensor (MOS) für VOC. Er erkennt Benzol und ähnliche Verbindungen. Er liefert einen analogen Spannungs-Output, der die erkannte Konzentration des Schadstoffs darstellt. Obwohl die Ausgabe nichtlinear ist, kann sie in PPM umgerechnet werden – dies macht die auf dem Mikrocontroller laufende Software.


Wie können Vernetzte Sensoren und IoT in der Zeit der Luftverschmutzung helfen
MQ135 gas sensor von Waveshare

DFROBOT SEN0219 (Abbildung 3) verwendet die nichtdispersive Infrarotsensorik (NDIR), um die Konzentration von CO2 zu bestimmen. Dies erfolgt durch die Messung der Aufnahme des Infrarot-Lichtes von einer LED.


Wie können Vernetzte Sensoren und IoT in der Zeit der Luftverschmutzung helfen
Wie können Vernetzte Sensoren und IoT in der Zeit der Luftverschmutzung helfen
SEN0219 von DFROBOT

SEN0177, auch von DFROBOT (Abbildung 4), verwendet die Laserstreuung, um die Konzentration der Staubpartikeln PM2.5 zu messen. Die serielle Schnittstelle überträgt die Partikelanzahl an den Mikrocontroller.
Einige Module vereinigen mehrere Sensorfunktionen. Sparkfun SEN-14348 nutzt beispielsweise mehrere Sensoren, um die Messwerte der VOC-Konzentrationen zu liefern, sowie die Feuchtigkeit, Temperatur und Luftdruck.


Wie können Vernetzte Sensoren und IoT in der Zeit der Luftverschmutzung helfen
SEN0177 von DFROBOT

Dieselbe Basis-Hardware kann mit mehreren Sensoren verwendet werden, um verschiedene Verunreinigungsarten zu erkennen.

Zusammenfassung
Kostengünstige elektronische Sensoren sind in der Lage, über den Raum verteilte Verunreinigungsmessungen in der Echtzeit durchzuführen. Sollte der Zugang zu genauen und aktuellen Informationen gewährt werden, können entsprechende Maßnahmen zur Reduzierung

dieser Verschmutzungen getroffen werden. Man kann die Aufenthaltszeit in den verkehrsintensiven Bereichen minimieren, z.B. durch die Auswahl der ruhigeren Verkehrswege und das Vermeiden der vollen Straßen und der anstrengenden Aktivitäten.
Das Problem wurde zwar von unserer Abhängigkeit von der Technologie verursacht, doch muss eine neue Technologie ein Teil der Lösung sein.

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