Senzorická platforma pro monitoring parametrů venkovního prostředí

Abstract

Úlohou tejto diplomovej práce bolo navrhnúť technické riešenie a skonštruovať prototyp stanice na meranie vybraných parametrov vonkajšieho prostredia. Teoretická časť práce sa venuje popisu vplyvu životného prostredia na človeka a predovšetkým na jeho zdravie. Na základe materiálov z WHO a iných zdrojov je poukázané na dôležité škodlivé faktory v životnom prostredí a ich hlavných producentov. Uvádzajú sa špecifické účinky jednotlivých škodlivín na živé organizmy. Popisujú sa normami stanovené postupy a metódy merania hlavných škodlivých faktorov, ale aj alternatívne – jednoduchšie, lacnejšie, ale aj menej presné princípy merania. Konštrukčná časť práce sa zaoberá výberom vhodných súčiastok, komponentov a konštrukčných celkov z ktorých by sa dal postaviť prototyp stanice na meranie určených parametrov životného prostredia použitím alternatívnych princípov merania. Na základe výberu bol navrhnutý a skonštruovaný funkčný prototyp stanice, ktorý spĺňa podmienky zadania diplomovej práce. Na meranie boli vybrané nasledovné parametre: teplota, vlhkosť, atmosférický tlak, koncentrácia prachových častíc, intenzita UV žiarenia, hluk a koncentrácia škodlivých plynov NO, NO2, O3, SO2. Škodlivé plyny sú merané elektrochemickými senzormi. Namerané údaje sa posielajú pomocou komunikačného rozhrania NB-IoT na určený dátový server, ale môžu sa ukladať aj na SD kartu umiestnenú priamo v stanici. Tieto dáta sú dostupné jednak v číselnej forme, ale aj vo forme grafov cez naprogramované webové rozhranie. Riadenie funkcie meracej stanice zabezpečuje modul ESP32-WROOM. Celé zariadenie je napájané z rozvodnej siete 230 V AC. Ako alternatíva je teoreticky analyzovaná možnosť napájania z kombinácie batéria a fotovoltaický panel. Funkčný prototyp zariadenia bol dočasne umiestnený v areáli meracej stanice ČHMÚ v Prahe – Libuš. Takéto porovnanie dlhšej časovej rady nameraných údajov umožní do budúcna lepšie zhodnotenie presnosti a správnosti merania a poskytne tak podklady na ďalší rozvoj prototypovej stanice.

The task of this thesis was to design a technical solution and construct a prototype of a weather station for measuring selected parameters of the outdoor environment. The theoretical part of the thesis describes the influence of the environment on humans and especially on their health. On the basis of materials from WHO and other resources the important harmful factors in the environment and their main producers are pointed out. The specific effects of individual pollutants on living organisms are presented. Standard procedures and methods for measuring the main harmful factors are described, as well as alternatives – simpler, cheaper, but also less accurate measurement principles. The practical part of the thesis discusses the selection of suitable parts, components and structural units from which a prototype station could be built to measure specific environmental parameters using alternative measurement principles. Based on the selection, a functional prototype of the station was designed and constructed, which meets the requirements of the thesis assignment. The following parameters were selected for measurement: temperature, humidity, atmospheric pressure, dust particle concentration, UV radiation intensity, noise and concentration of harmful gases NO, NO2, O3, SO2. Concentrations of harmful gases are measured by electrochemical sensors. Measured data is sent via the NB-IoT communication interface to a designated data server, but can also be stored on an SD card located directly in the station. This data is available both in numerical format and as graphs via a custom-made web interface. The measuring station uses ESP32-WROOM module as control unit. The station is powered by the 230 V AC mains. The thesis also theoretically analyses the possibility of using a power supply from a combination of battery and photovoltaic panel. A prototype of the device was temporarily placed in the premises of the measurement station of the Czech National Institute of Meteorology in Prague – Libuš. Such comparison of a longer time series of measured data will allow a better evaluation of the accuracy and precision of the measurements in the future and thus provide the basis for further development of the prototype station.