РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА АНАЛИЗА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА

Аннотация. Данная работа посвящена разработке устройства анализа загрязнения воздуха на наличие угарного газа, озона, оксида азота и диоксида серы. Представленное в данной статье устройство анализа предоставляет возможность эффективно и удобно осуществлять анализ качества воздуха в помещении, за счет компактности устройства. Разработан алгоритм работы и функционал устройства. Смоделирована и запрограммирована электронная схема устройства. Данная разработка позволяет пользователю узнать информацию о концентрации вредных частиц в воздухе, с возможностью отображения информации на дисплее или на веб-сайте.

Ключевые слова: загрязнение воздуха, анализатор, система управления, микроконтроллер, Arduino, датчик MQ-135, ЖК-дисплей, модуль ESP8266, программа управления.

Загрязнение воздуха является одной из самых серьезных проблем в мире. Это относится к загрязнению атмосферы вредными химическими веществами или биологическими материалами. Согласно известным экологическим отчетам, качество городского воздуха является серьезной проблемой [1, С. 192].

Загрязнение воздуха может вызывать долгосрочные и краткосрочные последствия для здоровья. Установлено, что пожилые люди и маленькие дети больше страдают от загрязнения воздуха. Краткосрочные последствия для здоровья включают раздражение глаз, носа и горла, головные боли, аллергические реакции и инфекции верхних дыхательных путей. Некоторые долгосрочные последствия для здоровья включают рак легких, повреждение головного мозга, повреждение печени, повреждение почек, болезни сердца и респираторные заболевания.

Качество воздуха в помещениях напрямую влияет на комфорт и здоровье жильцов, будь то дом, офис или другие здания. Некоторые из распространенных загрязнителей воздуха в помещениях включают радон, плесень, окись углерода, летучие органические соединения, асбестовые волокна, углекислый газ, озон и сжигание биомассы [2, C. 299]. Надлежащая вентиляция, фильтрация и контроль источников загрязняющих веществ являются одними из основных способов улучшения качества воздуха в помещениях. Чтобы определить степень загрязнения используется анализатор воздуха, который покажет, насколько опасно находиться в этом месте. В данной работе разрабатывается способ определения качества воздуха в помещении, при помощи портативного устройства.

Целью работы является разработка системы управления устройства анализа загрязнения воздуха на наличие угарного газа, озона, оксида азота и диоксида серы.

В этом работе осуществляется создание системы мониторинга загрязнения воздуха на основе Arduino, с помощью которой можно будет через веб-сервер по интернету просматривать состояние воздуха и включать сигнализацию, когда качество воздуха падает ниже определенного уровня. Качество воздуха оценивается по наличию в нем CO2, дыма, алкоголя, бензола и NH3. Оно будет показываться на ЖК дисплее и передаваться на веб-сервер, что позволит получать информацию о состоянии воздуха в интересующем нас месте из любой точки мира, где есть интернет.

Необходимые компоненты:

• плата Arduino Uno;
• датчик газа MQ135;
• Wi-Fi модуль ESP8266;
• жидкокристаллический (ЖК) дисплей 16х2;
• потенциометр 10 кОм;
• резистор 1 кОм;
• резистор 220 Ом;
• зуммер (Buzzer).

В проекте будет использован датчик MQ135, который является наилучшим выбором для мониторинга качества воздуха т.к. позволяет обнаруживать большинство вредных газов и измерять их количество [5, C. 2]. Это устройство легко установить в любом нужном месте и контролировать измеряемое им качество воздуха из любой точки с помощью компьютера или смартфона. Датчик MQ135 может обнаруживать газы NH3, NOx, CO2, алкоголь, бензол, дым и некоторые другие. Измеряет он их в PPM (англ. parts per million – рус. частиц на миллион). Поэтому, можно сказать, этот датчик является идеальным решением для проекта контроля загрязнения воздуха. При подсоединении к плате Arduino он будет подавать на вход Arduino напряжение определенного уровня, соответствующее количеству измеренного PPM, а в Arduino это значение напряжения нужно будет конвертировать в PPM.

Датчик будет выдавать значение 90 когда рядом нет никакого газа, безопасный уровень качества воздуха находится на отметке 350 PPM и не должен превышать 1000 PPM. При превышении отметки 1000 PPM у человека могут проявляться головные боли, сонливость, вялость, чрезмерное утомление, а если будет превышать 2000 PPM, то может вызвать увеличение частоты пульса и множество других заболеваний [3, C. 83].

В этом проекте, когда качество воздуха будет меньше 1000 PPM на ЖК дисплее будет показываться сообщение «Fresh Air» (рус. чистый воздух). Когда измеренное значение качества воздуха будет превышать 1000, то зуммер начнет издавать звуковой сигнал и на ЖК дисплее и на веб-странице высветится сообщение «Poor Air, Open Windows» (загрязнение воздуха, откройте окна). А если значение будет превышать 2000 PPM, то зуммер продолжит издавать звуковой сигнал и на ЖК дисплее и на веб-странице появится сообщение «Danger! Move to fresh Air» (опасность, выйдите на свежий воздух).

Принципиальная схема устройства была смоделирована в онлайн сервисе, для программирования и тестирования работы разрабатываемого устройства (рис. 1).

Рисунок 1. Принципиальная схема подключения компонентов системы к управляющему устройству (микроконтроллеру)

Сначала необходимо соединить модуль ESP8266 с платой Arduino. Модуль ESP8266 работает от напряжения 3.3V, поэтому если подать на него 5V с платы Arduino, то можно повредить его. Поэтому соединяются контакты VCC CH_PD модуля ESP8266 с контактом 3.3V платы Arduino. Контакт RX модуля ESP8266 также работает с напряжением 3.3V, поэтому его также нельзя напрямую подключать к плате Arduino. Для этого используется делитель напряжения чтобы преобразовать 5V в 3.3V.

На схеме это реализовано при помощи последовательного соединения 3-х резисторов. Далее соединяются контакт TX модуля ESP8266 к контакту 10 платы Arduino, а его контакт RX – к контакту 9 платы Arduino при помощи резисторов.

Wi-Fi модуль ESP8266 обеспечивает проекту доступ к Wi-Fi или интернету. Его можно подключить практически к любому микроконтроллеру.

Затем подключаем контакты VCC и заземление датчика MQ135 к контактам 5V и земле платы Arduino, а аналоговый контакт датчика – к контакту A0 платы Arduino.

Далее подсоединяется зуммер (buzzer) к контакту 8 платы Arduino – он будет выдавать звуковой сигнал, когда загрязнение воздуха превысит определенную норму [4, C. 49].

Резистор используется для установки яркости черного цвета ЖК дисплея. Большее значение сопротивления сделает черный цвет более темным.

Программа управления состоит из блоков Setup и Loop.

В первой части подключаются необходимые библиотеки объявляются переменные, объекты и массивы. Перед началом работы необходимо откалибровать датчик газа MQ135. В данном проекте для работы с датчиком MQ135 была использована специальная библиотека, взятая с открытого источника GitHub. С помощью данной библиотеки можно напрямую получить значение PPM с выхода датчика.

При помощи использования библиотеки Software Serial Library (рус. Библиотеки для последовательной связи) можно задействовать последовательный порт на любых цифровых контактах Arduino. В данном случае это будут контакты 9 (RX) и 10 (TX) – к ним был подключен модуль ESP8266. Также необходимо подключить библиотеку для работы с ЖК дисплеем и сообщить плате Arduino, к каким ее контактам подключен ЖК-дисплей. Затем были инициализированы две дополнительные переменные: одна для аналогового контакта датчика и вторая для хранения значения качества воздуха.

Функция Setup()выполняется только один раз во время запуска контроллера. Она настраивает порты ввода и вывода и устанавливает скорость передачи данных через последовательный порт.

После этого задается режим работы для контакта 8 на вывод данных – к которому подключен зуммер. Команда lcd.begin(16,2) переведет ЖК дисплей в режим приема данных, после переводится курсор на первую строку и напечатается сообщение. Далее переведем курсор на вторую строку и выведем сообщение – «Sensor Warming» (датчик нагревается).

Затем происходит установка скорости для последовательной связи. Разные модули ESP поддерживают различные скорости передачи данных – это надо учитывать при установке скорости работы последовательного порта. После этого установлена связь с модулем ESP и представлен IP в окне монитора последовательной связи.

Для вывода сообщения на веб-страницу используется HTML программирование. Для этого создается переменная с именем webpage и сохраняется строка, которая будет выводиться на веб-страницу. Необходимо будет вычесть 48 из выходного значения, поскольку функция read() возвращает десятичное значение ASCII, а первая десятичная цифра (в нем) 0 начинается с позиции 48.

Затем запускается функция Loop(). Это бесконечный цикл, постоянно выполняемый работающим контроллером. Он определяет взаимодействие между контроллером и подключенными к нему датчиками и исполнительными механизмами.

Вся суть программы заключается в постоянном сравнение считанных с датчика значений и сравнение их с заданной нормой.

Следует так же осуществить процесс настройки веб-страницы. Использование веб-страницы в данном проекте позволит пользователя даже удаленно контролировать уровень загрязнения воздуха в помещении, где находится устройства. После загрузки кода надо открыть окно монитора последовательной связи и в нем увидеть IP.

Разработанное устройство можно использовать, как полноценную систему для анализа загрязнения воздуха. Система управления, разработанная в данной работе, позволяет анализировать воздух в любом месте, в том числе и рабочем, для того чтобы определить на сколько опасно находиться в той или иной среде и какие меры желательно предпринять. Наличие возможности использование веб-страницы предоставляет возможность дистанционно контролировать загрязнение воздуха в помещения.