Autorzy: Agnieszka Choroszucho, Alan Kondrusik
Streszczenie: Artykuł przedstawia analizę możliwości zastosowania platformy ESP32 w monitorowaniu jakości powietrza przy użyciu przystępnych cenowo czujników środowiskowych do użytku wewnętrznego. W ramach projektu zrealizowano autorski prototyp urządzenia, który testowano w warunkach statycznych i dynamicznych, symulujących zmienne środowisko. System bazował na platformie ESP32 oraz oprogramowaniu do analizy danych, co umożliwiło ocenę parametrów takich jak temperatura, wilgotność, ciśnienie, stężenie lotnych związków organicznych (LZO) i poziom pyłów zawieszonych. Ponadto wykorzystano platformę ThingSpeak do wizualizacji mierzonych danych. Wyniki potwierdziły skuteczność i wiarygodność zastosowanego rozwiązania, wskazując na jego potencjał w praktycznym monitorowaniu jakości powietrza w różnych środowiskach.
Wprowadzenie
We współczesnym świecie postęp technologiczny niesie ze sobą zarówno wyzwania, jak i nowe możliwości rozwoju w różnych gałęziach przemysłu. Dąży się do miniaturyzacji, cyfryzacji procesów, oszczędności energetycznej, redukcji kosztów oraz poprawy jakości życia. Jednym z kluczowych trendów jest sztuczna inteligencja, która znajduje zastosowanie w usprawnianiu pracy i codziennego życia, w tym w monitorowaniu oraz ochronie zdrowia i środowiska. Wzrost industrializacji, rozwój technologii oraz masowa produkcja spowodowały nasilenie globalnego problemu zanieczyszczenia powietrza, który negatywnie wpływa na zdrowie ludzi i środowisko. W miastach problemem są pyły zawieszone, smog czy emisje spalin, które przyczyniają się do zmian klimatycznych, utraty bioróżnorodności oraz schorzeń zdrowotnych. Zanieczyszczenie powietrza w krajach wysoko rozwiniętych osiąga szczególnie wysoki poziom, co zwiększa zapotrzebowanie na technologie umożliwiające precyzyjne monitorowanie parametrów środowiskowych. Nowoczesne technologie, takie jak inteligentne stacje pogodowe wyposażone w zaawansowane sensory, pozwalają na dokładne i szybkie pomiary parametrów powietrza. Dzięki integracji z systemami komputerowymi i sztuczną inteligencją możliwe jest zbieranie i analizowanie danych w czasie rzeczywistym bez konieczności stałej obsługi. Takie rozwiązania są kluczowe dla efektywnego monitorowania emisji gazów, pyłów oraz innych szkodliwych substancji, co wspiera działania na rzecz poprawy jakości powietrza.
W obliczu rosnących wyzwań w ochronie zdrowia i środowiska istnieje potrzeba tworzenia innowacyjnych, energooszczędnych i modularnych rozwiązań, które zapewnią precyzyjne pomiary oraz łatwość użytkowania. Przeanalizowanie dostępnych technologii, literatury oraz obowiązujących norm, takich jak wytyczne WHO, pozwala na projektowanie urządzeń łączących wiarygodność pomiarów z funkcjonalnością i wygodą użytkowania. Tego typu rozwiązania są kluczowe dla podnoszenia standardów życia i ochrony środowiska. Ponadto, w kontekście automatyki budynkowej, stacje pomiarowe mogą odegrać istotną rolę, umożliwiając monitorowanie i optymalizację parametrów środowiskowych, takich jak jakość powietrza, temperatura czy wilgotność. Ich integracja z systemami zarządzania budynkami pozwala na efektywne sterowanie urządzeniami, co przekłada się na oszczędność energii oraz komfort użytkowników. W ten sposób przyczyniają się one do tworzenia inteligentnych, zrównoważonych i przyjaznych środowisku rozwiązań.
Ten artykuł przedstawia moją koncepcyjną propozycję projektu stacji pomiarowej jakości powietrza oraz wyniki przeprowadzonej analizy, ukazując szerokie i przystępne zastosowanie platformy ESP32 i tanich czujników do monitorowania parametrów otoczenia.
ESP32 – open source hardware/software
Urządzenia elektroniczne, w zależności od przeznaczenia, są wyposażone przynajmniej w jeden sterownik, który w uproszczeniu odpowiada za zarządzanie procesami zachodzącymi w danym systemie. Oczywiście nie każde urządzenie wymaga takiego „centrum operacyjnego”, ponieważ istnieją układy analogowe (np. wzmacniacze audio, filtry analogowe) czy mechaniczne urządzenia elektroniczne (np. zegary, podstawowe przełączniki), które mogą działać poprawnie bez tego rodzaju komponentów. Niemniej jednak, wiele nowoczesnych urządzeń elektronicznych, wymagających interakcji z użytkownikiem, monitorowania parametrów środowiskowych lub realizujących bardziej zaawansowane funkcje, korzysta z mikrokontrolerów i mikroprocesorów. Do takich urządzeń można zaliczyć m.in. smartfony, telewizory, klimatyzatory, sprzęt smart home, a także rozbudowane systemy sterujące stosowane w przemyśle. W niniejszym projekcie uznałem, że mikrokontroler stanowi kluczowy element systemu i warunkuje jego działanie.
Przy wyborze funkcji mikrokontrolera odpowiedzialnego za sterowanie kierowałem się różnymi kryteriami. Jednym z najważniejszych była obecność wbudowanego modułu Wi-Fi, który umożliwia zdalny dostęp do urządzenia poprzez integrację z lokalną siecią, np. routerem domowym. Dzięki temu stacja pomiarowa może zostać podłączona do Internetu w danym budynku, co pozwoli na wykorzystanie różnych protokołów sieciowych do łatwego dostępu oraz przesyłania danych pomiarowych na serwery w celu ich późniejszej analizy. Po przeanalizowaniu dostępnych rozwiązań zdecydowałem się na zastosowanie mikrokontrolera z rodziny ESP32 produkowanego przez firmę Espressif [1]. Wybór ten wynikał z kilku czynników: wbudowanego modułu Wi-Fi, szerokiego dostępu do bibliotek programistycznych (wsparcie ze strony producenta oraz społeczności), wysokiej wydajności obliczeniowej oraz atrakcyjnej ceny. Wybrałem model ESP32-WROOM-32U (rys. 1), ponieważ jest jednym z nielicznych modułów posiadających złącze IPEX, umożliwiające podłączenie zewnętrznej anteny, co znacząco poprawia jakość odbieranego i nadawanego sygnału Wi-Fi.
