Общественный мониторинг воздуха: собираем датчик своими руками

Разбираемся в том, как можно собрать датчик своими руками.

Что такое твердые частицы?

Твердые частицы (также по-другому называются «взвешенные» или «мелкодисперсные» частицы) — вещества, их соединения или конгломераты таких веществ и соединений органического или неорганического происхождения, постоянно присутствующие в атмосферном воздухе в виде взвеси (твердый углерод, пыль, оксиды металлов, диоксиды кремния, сульфаты, нитраты, асфальты, соединения свинца и др.). Классический пример твердых частиц в воздухе, которыми дышат буквально все, — обычная уличная пыль.

Состав и ассортимент содержащихся в воздухе частиц зависит от их происхождения. В сельскохозяйственных районах это это могут быть пыль, микроорганизмы, пыльца, плесень, производные удобрений и пр. В городе — пыль, микроскопические частицы асфальта, автомобильных шин, продукты сгорания топлива (например, печного топлива или мазута в котельных), масел.

В промышленных зонах состав твердых частиц определяют оксиды азота и серы, нитраты, сульфаты (в том числе тяжелых металлов), соли аммония, альдегиды, цементная и асбестовая пыль, полициклические углеводороды и др.

Твердые частицы являются крайне опасными для человеческого организма токсикантами из-за своих крайне малых размеров и способности проникать в альвеолы легких. Самые мелкие из твердых части и вовсе могут напрямую проникать в кровь и различные ткани организма, вызывая различные патологические эффекты.

Частицы классифицируют по их размеру. Различают частицы PM1, PM2.5, PM10 (PM — аббревиатура английских слов particular matters; числовые значения обозначают размер в микрометрах). Первые два класса частиц являются самыми опасными для организма человека.

К частицам размером менее 2,5 микрон относится и так называемый черный углерод (ЧУ), который является продуктом неполного сгорания. Черный углерод образуется в процессе сгорания ископаемого топлива (прежде всего, угля), дизельного топлива, биомассы, природных пожаров (в нашей стране основным источником ЧУ, главным образом, являются лесные пожары и сельскохозяйственные палы).

Мониторинг атмосферного воздуха

В разных странах существуют свои нормативные документы. В России это руководящий документ РД 52.04.830-2015 «Массовая концентрация взвешенных частиц РМ10 и РМ2.5 в атмосферном воздухе. Методика измерений гравиметрическим методом». Согласно этому документу, среднесуточное количество PM10 в воздухе населенных пунктов нашей страны не может превышать 60 мкг/м³. (Всемирная организация здравоохранения рекомендует порог — 50 мкг/м³), PM2.5 — 35 мкг/м³ (ВОЗ рекомендует не более 25 мкг/м3).

В нашей стране есть государственная система мониторинга твердых частиц (как с помощью стационарных, так и передвижных постов). Однако у официальных измерений в России имеются свои минусы: нет никакой возможности смотреть показатели датчиков в режиме реального времени, нельзя не только понять, где производился замер, но и перепроверить его результаты. В официальных сводках приводятся, как правило, только конечные, среднегодовые цифры (реже — месячные данные).

К тому же чиновники в своих отчетах честно признаются, что измерительных постов не хватает, что их должно быть в десятки и сотни раз больше.

Однако в информационном веке возможно все. В последние годы широкое распространение получили системы общественного мониторинга атмосферного воздуха. Они характерны тем, что получаемые результаты отображают картину загрязнения воздуха в формате «как есть», без статистической обработки данных и манипуляции цифрами.

Это дает возможность не только доказать наличие проблемы, но и инструментально обнаружить источники вредных выбросов и заставить государственные органы принимать меры.

Среди общественных проектов по мониторингу твердых частиц наибольшую известность в мире приобрел сервис Sensor.Community. Данная сеть была запущена всего несколько лет назад в Штутгарте (Германия) и на сегодняшний день насчитывает уже более 12 тыс. устройств, количество которых растет с каждым днем за счет новых пользователей.

Получаемые данные визуализированы на интерактивной карте, где также представлена и другая информация (например, метеоданные: на карте имеется анимация, отражающая воздушные потоки на данный момент, которые позволяют оценить фронт распространения загрязнения воздуха, вызываемого происходящими в каком-то регионе природными пожарами).

Как происходит «традиционный» замер концентрации твердых частиц?

Существует две принципиально разные конструкции датчиков частиц. Есть прямое измерение размеров частиц и косвенное.

В случае прямого измерения используют гравиметрические методы, основанные на прямом взвешивании. В этом случае при помощи специального прибора-аспиратора берется проба воздуха определенного объема. После этого пробу последовательно пропускают через микрофильтры с заданным рейтингом (размером).

Сначала воздух, содержащий частицы, проходит через более крупный фильтр (например, с размером ячеек 10 микрон), затем через более мелкие (например, 2,5 микрон). Получившийся на фильтрах осадок взвешивают и по массе оценивают количество частиц в каждом случае.

Помимо этого, определяется объем осадка. Таким образом, можно с достаточной точностью определить, сколько и каких частиц содержится в образце воздуха, и затем методом простого умножения можно рассчитать, сколько частиц содержится в 1 кубическом метре воздуха.

Прямые методы достаточно сложны, да и стоимость таких устройств может составлять десятки тысяч долларов. Понятно, что такие приборы недоступны для широкой аудитории. Прибор еще должен пройти поверку (соответствие определенным метрологическим характеристикам), а в нашей стране еще и должен быть включен в государственный реестр средств измерений.

Однако именно такие способы измерения рекомендованы в государственных лабораториях в качестве эталонных как в России, так и во многих других странах (например, США).

Но понятно, что для общественного мониторинга методы прямого измерения не предназначены — это сложно, дорого и требует определенной квалификации.

Но на помощь приходит другой класс методов измерения количества твердых частиц — косвенные методы. Среди них самые распространенные — оптические.

В приборе оптического замера имеется источник (например, полупроводниковый лазер) и приемник света. Лазер светит в замкнутой измерительной камере, стенки которой практически полностью поглощают свет, не давая ему отражаться. Это позволяет измерять оптический сигнал — интенсивность света.

В случае если воздух, через который проходит луч света, чист, то сигнал будет почти равен исходному. Но если через измерительную камеру с постоянной скоростью пропускается загрязненный воздух, то часть света будет рассеиваться на частицах и дошедший до приемника сигнал будет слабее, чем исходный.

Дальнейшая обработка полученных данных позволяет рассчитать количество частиц различного размера.

Главными достоинствами такого измерения количества твердых частиц являются простота и высокая точность измерений. Исследования показывают, что отклонение данных, получаемых косвенными методами, от данных прямого измерения не превышает 5 %. При этом стоимость датчиков, работающих по такому принципу, ниже намного ниже по сравнению с приборами для «традиционной» методики.

Кроме гравиметрических и оптических измерений, существуют и другие принципы измерений количества и размера твердых частиц. Например, радиоизотопный или электростатический методы. Все они применяются в зависимости от конкретной ситуации, но мы не будем на них останавливаться и перейдем к рассмотрению приборов, которые используются именно для общественного мониторинга.

Как стать участником глобальной сети общественного мониторинга

Если в вашем городе еще нет датчика твердых частиц, вы можете самостоятельно собрать собственный датчик и подключить его к системе Sensor.Community либо к другой аналогичной сети (можно также настроить трансляцию данных сразу в несколько сетей).

Впрочем, даже если в вашем городе или районе уже имеются приборы для общественного мониторинга воздуха, то много их никогда не бывает: в разных местах показания приборов всегда будут разниться. Это зависит от места, где установлен (выведен) датчик: есть ли рядом промзона или оживленная автотрасса, окраина населенного пункта или центр, на какой высоте над землей базируется прибор

Чем больше сенсоров твердых частиц в конкретном населенном пункте, тем более достоверную картину загрязнения воздуха можно получить.

Итак, рассмотрим по шагам необходимые действия.

Датчик собирается всего за несколько часов, и сделать это может практически каждый, кто хоть раз держал в руках паяльник.

После того как вам пришла посылка с комплектующими, необходимо проверить ее комплектность. Вот что в ней должно быть:

1. Датчик частиц SDS011 — 1 шт.

2. Контроллер NodeMCU v.3 — 1 шт.

3. Датчик температуры, влажности и давления BME280 5В — 1 шт.

4. Зарядное устройство — 1 шт.

5. Кабель micro USB 2 или 3м — 1шт.

6. Провод DUPONT 20 cm M-M - 1 шт.

7. Распределительная коробка 115x90x55 mm серый — 1 шт.

8. Распределительная коробка 100x68x40 mm серый — 1 шт.

9. Кабельный сальник PG9 серый -1 шт.

10. Трубка силиконовая диаметр 8мм, стенка 1.5 мм - 1 м

11. Стойка 12 мм — 10 шт.

12. Гайка М3 - 10 шт.

13. Винт М3 — 10 шт

Кроме того, потребуется отдельно провод «витая пара» V категории (потребуется кусок 1,5-3 м). Провод вы можете приобрести в любом магазине электроники или сетевого оборудования. Еще нужны два коннектора RJ-45 и проходной адаптер.

Необходимы следующие инструменты: паяльник, канифоль, припой (лучше уже с флюсом внутри), шуруповерт (или небольшая дрель, лучше выбирать инструмент помощнее), сверла диаметром 1,5 мм (для разметки), сверла 3 мм для создания отверстий для крепления стоек, сверло 6 мм (это вспомогательное сверло для ступенчатого сверла), ступенчатое сверло 16-18 мм для создания отверстий под гермовводы (сальники), отвертки (крестообразная и обычная), нож для зачистки проводов, обжимной инструмент для коннекторов RJ45.

Для крепления распределительных коробок вам потребуется 8 дюбель-шурупов 6 х 40 (по 4 на каждую коробочку), перфоратор и буры № 6, № 10 по бетону. Вы также можете закрепить коробки по-своему, если знаете точное место установки вашего датчика.

Если все это у вас в наличии, то можно приступать к сборке датчика.

Шаг 1. Разметка и сверление распределительных коробок.

Сначала разметим отверстия в коробках. Рекомендуем предварительно разметить отверстия карандашом, так как здесь как никогда актуальна поговорка «семь раз отмерь - один раз отрежь».

В коробке внешнего блока необходимо закрепить датчик частиц SDS011 и предусмотреть вход и выход воздуха через гермовводы.

Датчик крепится на стойках (3 шт.), а сами стойки крепятся к монтажной коробке (корпусу) внешнего блока (той, что несколько больше) с помощью шайбы и гайки. Сверлим под стойки отверстия диаметром 3 мм.

Затем делаем отверстия на боковой поверхности коробки для гермовводов PG9 ступенчатым сверлом 16–18 мм.

Во внутренней коробке, соответственно, делаем 4 отверстия под контроллер (также используем стойки 12 мм), под USB-провод устанавливаем гермоввод PG9 (сверлим отверстие 16–18 мм с помощью ступенчатого сверла) и под соединение с внешним блоком (также PG9), затем керним, сверлим отверстие 1,5 мм, рассверливаем отверстия 3 мм под стойки, 6 мм под гермовводы. Затем работаем ступенчатым сверлом там, где будут установлены гермовводы.

Шаг 2. Пайка витой пары, датчика давления и температуры BME280.

Теперь следует заняться проводом, который соединит внутренний и внешний блоки. Здесь важно предварительно рассчитать, сколько его понадобится. Для этого посмотрите на предполагаемое место установки внешнего и внутреннего блоков, подумайте, как пройдет соединяющий их провод (учитывая желаемое расположение внутреннего и внешнего блоков), а также толщину стены или оконной рамы, через которую будет пропущен провод (напомним, что мы настоятельно рекомендуем устанавливать внутренний блок внутри помещения, где есть устойчивый сигнал Wi-Fi).

Если у вас нет стационарного роутера для Wi-Fi, но есть устойчивый сигнал сотовой сети, можно вместе с комплектующими для датчика заказать мобильный роутер (маршрутизатор). Либо купить аналогичное устройство в ближайшем к вам магазине бытовой электроники.

Отмеряем провод с небольшим запасом (20-30 см) и отрезаем его. Монтировать внешний и внутренний блоки слишком далеко друг от друга не рекомендуем (равно как и оставлять слишком большой запас провода), поскольку, поскольку это увеличивает его сопротивление и может сказываться на корректной работе датчика.

В своем видео мы использовали обычный восьмижильный кабель («витая пара»), который используют для локальных сетей и проводного Интернета.

Необходимо зачистить наружную изоляцию провода (примерно 40–50 мм с каждой стороны), а также зачистить каждую из 8 жил на 6–7 мм, залудить их, припаять к ним провода Dupont (длиной около 40мм) и затем изолировать места соединений термоусадкой ПВХ.

Также необходимо припаять штыревой разъем к датчику. Будьте внимательны и не допускайте перегревания датчика при пайке.

Шаг 3. Установка стоек для крепления плат, кабельных муфт (гермовводов) и крепление датчика частиц и контроллера

Устанавливаем латунные стойки в отверстия диаметром 3 мм и крепим их гайками M3 с обратной стороны коробок.

Кабельные муфты (гермовводы) необходимо установить в каждой из коробок по 2 шт.

К стойкам с помощью винтов М3 закрепляем датчик частиц в наружном блоке и контроллер во внутреннем блоке.

Перед установкой датчика необходимо отрезать 2 кусочка силиконовой трубки по 50–60 мм. Один из них надеваем на выход воздуха датчика частиц, как показано на фото, другой — вставляем в гермоввод и закрепляем штатной гайкой (через нее воздух попадает в корпус датчика).

Предварительно вставим в корпус провод для подключения датчика частиц через гермоввод.

Перед тем как закрепить в корпусе датчик воздуха, необходимо подключить его в соответствии с данной схемой.

Плата контроллера NodeMcu располагается в корпусе вверх соединительными контактными гребенками. Перед установкой контроллера необходимо продеть шнур питания с разъемом Micro USB через гермоввод и присоединить его к разъему контроллера.

Шаг 4. Подключение контроллера NodeMCU.

Теперь необходимо выполнить соединение контроллера с внутренним блоком. Для этого используем схему, размещенную выше. Готовый подключенный контроллер должен выглядеть так.

Шаг 5. Разъемное соединение провода

Сейчас наружный и внутренний блоки соединены между собой цельным проводом. С таким датчиком уже можно работать (устанавливать прошивку, тестировать и т. д.), но для монтажа блоков на постоянное место потребуется модифицировать их соединение (нам потребуется провести соединительный кабель через отверстие в стене).

Для этой операции нам потребуется обжимной инструмент для установки коннекторов RJ45, а также пара коннекторов. Процесс можно производить по инструкции (по схеме прямого обжима). Нам нужно разрезать провод, отступив около 10 см от кабельного сальника внутреннего блока, и установить 2 коннектора: один на конец провода, идущего от внутреннего блока, второй — от внешнего.

После установки коннекторов следует соединить провода при помощи проходного адаптера, как показано на рисунке.

Шаг 6. Установка драйвера NodeMCU.

Теперь необходимо установить драйвер контроллера, чтобы система Windows могла обнаружить ваше устройство. Для этого отсоедините внешний блок, подключите внутренний блок в USB-порт компьютера, скачайте архив, распакуйте его и запустите файл установки setup.exe.

Шаг 7. Установка прошивки.

Подключаем USB-кабель к контроллеру и скачиваем прошивку на компьютер. Затем запускаем приложение airRohr-firmware-flasher-0.3.0-Windows_amd64.

После обнаружения датчика (в строке должен определиться порт) устанавливаем на него прошивку latest_BME280_ru.bin или latest_ru.bin.

Далее нажимаем Upload. После успешного завершения прошивки (результат 100 %) ищем вкладку Discovery, которую необходимо открыть после установки прошивки. Там находится сетевой адрес (по типу 192.168.0.ХХ) и ID (номер чипа), которые следует записать себе отдельно. Сохраните у себя эти данные, они понадобятся в дальнейшем.

Затем отсоединяем блок от USB-порта компьютера.

Шаг 8. Подключение датчика к Wi-Fi.

После того как все компоненты датчика подключены, вставляем USB-провод в блок питания. Затем подключаем устройство к сети.

Для дальнейших действий нам понадобится смартфон. В нем заходим в настройки Wi-Fi сети и выполняем поиск беспроводных сетей. Датчик создал свою незащищенную беспроводную сеть (по типу Feinstaubsensor-ID, где ID — номер чипа с предыдущего шага), к которой нам необходимо подключиться.

После подключения к сети датчика нас автоматически перебрасывает в его настройки. Если автоматической переброски не произошло, введите в адресной строке браузера телефона адрес 192.168.4.1 и дождитесь загрузки страницы.

На указанной странице необходимо ввести параметры Wi-Fi-сети, к которой вы хотите подключить датчик: в строке «Имя» вводим название Wi-Fi-сети. В строке «Пароль» вводим, соответственно, пароль от данной сети.

Нажимаем «Сохранить и перезапустить».

Шаг 9. Настройка датчика, регистрация в системе Sensor.Community.

В браузере переходим по сетевому адресу датчика (который вы записали в Шаге 7), затем заходим во вкладку «Конфигурация».

В разделе «Датчики» должны быть отмечены галочкой строки SDS011, «BMP280/BME280. Это, соответственно, датчики пыли, температуры и относительной влажности воздуха и атмосферного давления.

В разделе API галочками должны быть отмечены все строки.

Далее заходим в конфигурацию «Текущие значения» и дожидаемся первого замера. Если все отображается корректно (то есть вы видите значения температуры, давления, влажности и двух показателей — PM2.5 и PM10), тогда переходим по ссылке и регистрируемся в системе Sensor.Community, подтверждаем почту и заполняем анкету.

В графе ID сенсора указываем ID (номер чипа из Шага 7).

В графе «Базовая информация» указываем адрес, по которому будет установлен датчик.

В графе «Дополнительная информация» указываем высоту (в сантиметрах, а не в метрах!) установки датчика над уровнем земли, а в графе «Расположение по отношению к дорогам» выбираем подходящий для вас вариант.

Выбираем «Опубликовать точное местоположение», если хотите чтобы место установки максимально точно отображалось на карте (в противном случае точное положение датчика будет определяться с разбросом 100 метров).

Нажимаем «Найти введенный адрес», а затем «Сохранить настройки».

Если все предыдущие условия выполнено верно, то в течение получаса/часа после завершения регистрации ваш датчик должен отобразиться на карте.

После этого произведите окончательную сборку блоков, установите крышки, герметизирующие прокладки (идут в комплекте к коробкам) и закрутите коробки винтами.

Шаг 10. Крепление датчика на месте постоянного использования

Когда все этапы по сборке, настройке и подключению пройдены, необходимо выполнить монтаж датчика на месте его постоянного нахождения.

Отключаем датчик от сети, устанавливаем сначала внутренний блок с контроллером в помещении с устойчивым Wi-Fi-соединением. Внешний блок крепим на улице.

Сверлим буром № 6 отверстия для крепления блоков (по 4 на каждый) и с помощью дюбель-шурупов крепим их к стене. Затем буром № 10 сверлим отверстие под провод (в отверстие должен проходить коннектор RJ45). Лучше всего сверлить с внешней стороны — от внешнего блока в середину. Затем остается подключить проходной адаптер, чтобы соединить блоки.

После включения питания все должно заработать.

Как отслеживать показания датчика и использовать их на практике

Итак, ваш датчик должен появиться на карте сети Sensor.Community. Теперь вы (и любой другой пользователь) можете следить за состоянием атмосферного воздуха в вашем населенном пункте в режиме реального времени.

Понаблюдайте за его показаниями. Для этого есть несколько инструментов.

Можно воспользоваться интерактивной картой. Здесь следует кликнуть на нужный датчик, в правом верхнем углу экрана вы увидите текущие показания датчика. А если вы нажмете мышью на знак плюса, то развернется панель графиков за текущие сутки.

В левом нижнем углу карты можно выбрать, какие именно показатели смотреть (РМ2.5, РМ10, температуру, влажность и т. п.).

Также можно воспользоваться мобильным приложением Particular Matter, установив его из Google Play или AppStore, либо воспользоваться его веб-версией.

Полученные с помощью датчика данные можно использовать для обращения в государственные органы (например, в Роспотребнадзор): требовать установить причины локальных всплесков загрязнений воздуха (если таковые имеют место, значит, что где-то поблизости есть их источник) или запрашивать официальные данные о мелкодисперсном загрязнении воздуха в вашем населенном пункте (для того, чтобы сравнивать официальные данные с собственными данными).

Можно также распространять получаемую с помощью датчика информацию в социальных сетях, привлекать внимание СМИ к проблеме загрязнения воздуха в вашем населенном пункте (когда вы вооружены графиками и цифрами, делать это гораздо проще).

Можете проводить собственные расследования причин роста загрязнения воздуха, периодичность таких выбросов, выявлять источники и условия, при которых наблюдаются всплески концентраций твердых частиц.

Если вы выбрали первый путь, то мы готовы вам помочь. Мы имеем опыт в сборке датчиков и готовы поделиться рекомендациями.