E-Innováció – 1. rész

„We care about the Environment” – az okos levegőminőség-figyelő állomás

A Magyar Elektronika hasábjain egy új cikksorozatot indítunk az Endrich Bauelemente Vetriebs GmbH legújabb innovációiról, amelyekkel a hazai és nemzetközi kiállításokon és konferenciákon találkozhatnak az érdeklődő szakemberek az év folyamán. Három kiemelt területtel foglalkozunk, a hagyományos eszközök „okosításával”, ahol szlogenünk a „We Make Your Device Smart”, a környezetvédelmi fejlesztésekkel, amelyeket a „We care about the Environment” szlogennel népszerűsítünk és a divatos egylapos számítógépek, mint az Arduino Leonardo és a Raspberry Pi család IoT végponttá alakításához kínált pajzsokkal, ahol a „We make your SBC IoT Ready” jelmondatot használjuk. Jelen írásunkban az IoT környezetvédelmi területen történő felhasználásával foglalkozunk, és bemutatjuk a cityBox levegőminőség-ellenőrző állomást.

A cityBox születése

A Föld felszínének szennyezettsége, vagyis a levegőben, a vizekben és a talajban előforduló veszélyes anyagok koncentrációja az elmúlt két évszázadban kritikus mértéket ért el, és ez az oka az egyre fokozódó globális felmelegedésnek, amelynek katasztrofális hatásai vannak az emberiségre. Gleccsereink olvadnak, csökken az északi és déli pólus jégsapkája, ami a szigetek és a tengerközeli területek elárasztását hozza magával, veszélyeztetve az életkörülményeket. Városaink, településeink levegője egyre szennyezettebbé válik, túl magas a CO₂-koncentráció, és egész erdőterületek száradnak ki, és válnak az emberek számára lakhatatlan sztyeppévé. E veszélyek csökkentése érdekében és a lakosság megóvására fontos a levegő, a víz és a talaj minőségének folyamatos ellenőrzése, hogy időben lehessen ellenintézkedéseket tenni.
A korábbi évszázadokban az aktív vulkánok füstje és pora hatalmas felhőkben sötétítette el a környező földeket, ami több évnyi terméskieséshez vezetett. Ma a civilizációnk fejlődése során kialakított életvitel, a Föld népességének növekedése, az iparosodás, a túlzott mértékű kitermelések, az őserdők kivágása, a közlekedési forgalom és még sok más tényező rombolja drámaian a környezetünket, és idézi elő ezek következményeként az életet fenyegető veszélyeket.
Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) szerint a levegőszennyezés jelenti a legnagyobb környezet-egészségügyi kockázatot az Európai Unióban (EU). Évente körülbelül 400 000 korai halálesetet és több 100 milliárd euró egészségügyi extra költséget okoz az EU-ban. A városi területeken élők különösen veszélyeztetettek. A szálló por finom részecskéi, a nitrogén-oxid és a talajközeli ózon azok a légszennyező anyagok, amelyek a legtöbb korai halálesetet okozzák.
A probléma felderítése csak a levegő és a talaj minőségének folyamatos ellenőrzésével lehetséges – ahogy a megfelelő óvintézkedések meghozatala is. Az Endrich célja egy olyan önálló, hálózatfüggetlen tápellátású, a hét minden napján 24 órában működőképes mérő- és kommunikációs állomás kifejlesztése volt, amely számos fedélzeti érzékelőjének köszönhetően, a külső, tetszőlegesen bővíthető, vezeték nélküli szenzorhálózattal rugalmasan együttműködve a legkülönfélébb alkalmazásokra és helyszínekre tud környezeti paraméterek monitorozásához megoldást nyújtani. Sokoldalúsága lehetővé teszi többek között a levegő minőségének figyelését, illetve akár a talajvízszintnek és a talajnedvességnek a hatékony monitorozását a katasztrófákra való korai figyelmeztetés érdekében. A sokoldalú érzékelők lehetővé teszik a kémiai és fizikai paraméterek nagy pontosságú meghatározását, emellett az alkalmazott alacsony fogyasztású és havidíjmentes mobil kommunikációs technológiák pedig gondoskodnak az adatok felhőalapú adatbázisba juttatásáról. A cityBox megújuló energiát használ – nappal napeleme megfelelő fényviszonyok mellett gondoskodik a tápellátásról, míg éjszaka a napközben feltöltött lítiumakku­mu­látorokról biztosított a folyamatos működés. Ezek a tulajdonságok teszik a cityBox-ot sokoldalúvá környezetvédelmi alkalmazásban. A cityBox rugalmas tápellátási módjai napelem nélkül, 9-36 V egyenáramú feszültségforrásról beltéren is lehetővé teszik a megszakításmentes működést, a tápellátás megszűnésekor (pl. csarnok éjszakai áramtalanítása) a szünetmentes tápellátást az akkumulátorok biztosítják.

1. ábra Az E-IoT ökoszisztéma környezetvédelmi felhasználású eszköze a cityBox

A legmodernebb elektronika segítségével, a fentebb említett célok gyorsan és hatékonyan elérhetők. A készülék relatíve kicsi, független az elektromos és a vezetékes kommunikációs hálózatoktól, így elhelyezkedése néhány perc alatt megváltoztatható. A nagy teljesítményű napelem a korszerű újratölthető akkumulátorállomással kombinálva biztosítja a folyamatos energiaellátást, így az eszköz energia-önellátó. A vezetékezés tehát felesleges. A szükséges érzékelők vagy magában a készülékben helyezkednek el, vagy annak néhány méteres környezetében helyezhetők el, és a mért adatok vezeték nélkül továbbíthatók a cityBoxra. A mérések másodpercenként, percenként vagy óránként rögzíthetők – a nap 24 órájában –, és továbbíthatók a megfelelő felhőszolgáltatásba adatelemzés céljából a modern, megbízható és olcsó Narrow Band / LTE-M kommunikáción keresztül vagy tartalékként a 2G GSM hálózat segítségével.

A cityBox működését néhány kulcsmondattal írhatjuk le:

• Érzékeli a levegő minőségét és annak legfontosabb kémiai és fizikai paramétereit.
• Érzékeli saját működési paramétereit, így képes jelenteni a várható szolgáltatás kiesését, segít a prediktív karbantartásban, és tá­mogatja saját távfelügyeletét, beleértve magát a GNSS helymeghatározást is.
• Újra felhasználható zöld energiával, napelemekkel és hosszú élettartamú lítiumakkumulátor-állomással működik.
• Szenzorainak adatait keskenysávú mobil kommunikációval juttatja a kapcsolódó felhőadatbázisba (Endrich Cloud).
• Átjáróként működik az opcionális külső 868 MHz-es MESH vezeték nélküli intelligens szenzorhálózat számára, amely olyan feladatok ellátására alkalmas, amit a cityBox szenzorai önállóan nem képesek támogatni. Ilyenek lehetnek a ciyBox környezetében lévő talajnedvesség vagy talajvízszint-mérő állomások, folyadékszintmérők vagy egyéb vezetékmentes okosszenzorok, amelyek a korszerű neo.mesh technológia felhasználásával nagy kiterjedésű, akár négyzetkilométeres nagyságrendű terület lefedésére is alkalmazhatók. Ezek az okosérzékelők nemcsak a saját adataikat továbbítják a MESH hálózaton keresztül, hanem a velük közvetlen kapcsolatban álló szomszédos szenzorokét is. A cityBox szervesen integrálódik ebbe a lokális MESH hálózatba, összegyűjti az önálló vezeték nélküli szenzorok adatait, és átjáróként továbbítja azokat az NB/CAT/M/2G hálózaton keresztül az E-Cloud felhőszolgáltatóhoz.

2. ábra A cityBox szervesen integrálódik az E-IoT Neo.Mesh hálózatba és GSM/NB-IoT gateway szerepet kap

A cityBox fedélzeti szenzorai

A cityBox készülékbe integrált szenzorok két fő érzékelési területre oszlanak, egyrészt a környező levegő kémiai és fizikai tulajdonságainak monitorozására szolgálnak, másfelől pedig a készülék működési paramétereit kísérik figyelemmel. Ez utóbbiak adatbázisba küldése azért fontos, mert a készülék évekig teljesen önállóan, felügyelet nélkül hivatott működni, és az időszakos karbantartás, tisztítás esedékességét maga a cityBox jelzi például az akkumulátorok kapacitásának csökkenését, szokatlan zajt, rezgést vagy egyéb normálistól eltérő viselkedést érzékelve.
A legfontosabb levegőminőség-méréseket végző szenzorok a szálló por koncentrációját mérő PM szenzor, a széndioxid-koncentrációt érzékelő egység és a levegőminőség-index (AQI) meghatározásához elengedhetetlen gázszenzor az NO₂ és ózonkoncentrációt elemző egység.

3. ábra A cityBox környezeti paramétereit érzékelő fedélzeti szenzorainak áttekintése

 
A működési paraméterek érzékelésére szánt funkciókat két csoportba soroljuk. Az első csoportba a működést esetlegesen befolyásoló környezeti hatások figyelése tartozik, mint például az extrém alacsony vagy magas környezeti hőmérséklet, a páratartalom, az esetlegesen fellépő erős hanghatások érzékelése – amik esetleges tápegység-meghibásodásra utalhatnak –, de fontos fizikai paraméter a rezgés amplitúdójának figyelése is, ami pl. lámpaoszlopra szerelt eszköz esetén erős szélterheltségre is utalhat. Az érzékelők másik csoportja elsősorban a tápellátást biztosító áramkör elektronikus paramétereit figyeli, kültéri használatnál a napelem, beltéri használatnál a 9-36 VDC tápegység kifogástalan működését, az akkumulátorcellák töltését és azok kisülését monitorozza.

4. ábra A cityBox működési paramétereit érzékelő fedélzeti szenzorainak áttekintése

 
A cityBox érzékelői által gyűjtött adatok továbbításáról az alkalmazott speciális mobilhálózati megoldás gondoskodik. Az eszköz egy olyan háromsávos GSM modemmel van felszerelve, ami mind a kis fogyasztású nagy hatótávolságú (LPWA – low power wide area) hálózati szabványokat (NB-IoT, LTE-M), mind pedig ezek hiányában a 2G hálózatot használja. Előnye, hogy nincs szükség külön SIM kártyára az NB/CAT-M/2G működéshez és havi előfizetésre sem, mert egy előre megvásárolt 10 EUR/10 év/500 MB adatcsomaggal érkező egység évekig ellátja feladatát a relatív kis adatcsomagok miatt. A beküldött adatok UDP vagy MQTT protokolltámogatással az Endrich saját felhőszolgáltatásába érkeznek, ahonnan a kiértékelés és az adatmegjelenítés megoldható. A rendszer kommunikációs csatornáiról és a hálózati működés részleteiről a cikksorozat következő részében írunk részletesen.

5. ábra Ahogyan az ember és ahogyan a cityBox „látja” a naplementét …

 
Engedjék meg a tisztelt olvasók, hogy zárszóként megmutassam, hogy miként látja egy műszaki érdeklődésű ember magánemberként és mérnökként a naplementét.

Szerző: Kiss Zoltán, Export Igazgató –
Head of R&D – Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com

E–Innováció – 2. rész 

E–Innováció – 3. rész 

E–Innováció – 4. rész