În ultimii ani oamenii au devenit tot mai interesați să descopere modalități prin care să trateze anumite boli sau să își prelungească viața. Deși se… [307971]

1.Introducere

În ultimii ani oamenii au devenit tot mai interesați să descopere modalități prin care să trateze anumite boli sau să își prelungească viața. [anonimizat], și anume prevenția.

Fiecare persoană petrece foarte mult timp în încăperi slab aerisite sau cu sisteme de ventilație subdimensionate. Fiecare persoană respiră aerul poluat de afară. Foarte multe clădiri dezvoltă diferite forme de mucegai datorită faptului că materialele cu rol de izolație termică nu permit uscarea naturală a [anonimizat]. Toți acești factori pot duce la apariția unor boli pulmonare destul de grave.

Primul pas în asigurarea unei bune prevenții este informarea. Trebuie să știm dacă în locuința noastră aerul are o [anonimizat]. Și aerul de la birou trebuie sa aibă o calitate bună deoarece petrecem foarte mult timp în acel loc. Calitatea slabă a aerului nu doar ca poate provoca anumite boli dar lipsa de oxigen duce la scăderea concentrării deci la scăderea randamentului.

În aceste două locuri putem lua singuri anumite măsuri pentru a ne asigura că respirăm un aer curat. Totuși când vine vorba despre aerul de afară este mai greu pentru o [anonimizat], [anonimizat].

Toți acești factori au dus la alegerea acestui proiect ce are rolul de a informa utilizatorul cu privire la aerul respirat. Astfel acesta poate afla cu o singură vizualizare a ecranului telefonului mobil dacă aerul din locuința sa sau de la birou este bun pentru organism. [anonimizat] a [anonimizat].

Un aer bun pentru organism nu înseamnă neapărat un aer bogat în oxigen. Aerul trebuie sa aibă o anumită temperatură și o anumită umiditate. Dacă temperatura și umiditatea nu pot fi controlate trebuie luate niște măsuri care să mențină un anumit raport între cei doi factori astfel încât să evităm anumite probleme de sănătate dar și disconfortul resimțit de individ.

2.Sisteme existente ce au rolul de a monitoriza calitatea aerului

2.1 Principalii factori ce pot afecta calitatea aerului

Deoarece oamenii își petrec majoritatea timpului în interiorul clădirilor este foarte important să existe o calitate bună a aerului dar și informații actualizate în permanență despre mediul în care se află. Acest lucru asigură sănătatea individului dar și o productivitate crescută.[1]

Un mediu interior este o [anonimizat]/non-mecanici, electronici, atmosferici, psihologici, etc. Una din cele mai importante componente ale unui mediu interior este calitate bună a aerului, adică un aer curat și proaspăt pentru a menține sănătatea și confortul.[1]

[anonimizat], în primul rând datorită modelului de ocupare. Un alt factor care influențează calitatea aerului poate fi un sistem de ventilație rudimentar, vechi sau insuficient întreținut. Praful și compușii organici volatili pot influența de asemenea calitatea aerului dintr-o încăpere.[1]

Organizația mondială a sănătății estimează că patru milioane de decese premature au avut loc datorită aerului poluat din locuințe, în urma arderii combustibililor solizi, gătitului și încălzirii. În plus, în rândul copiilor sub vârsta de 5 ani, pneumonia survenită în urma inhalării particulelor duce la jumătate din numărul total de decese[2].

În tabelul următor sunt prezentați câțiva parametri ce afectează calitatea aerului și limitele acceptate.

Tabel 1.1 Limitele acceptate pentru parametrii mediului

2.1.1 Dioxidul de carbon

Spațiile închise, locuite de oameni , se confruntă adesea cu scăderea nivelului de oxigen și creșterea nivelului de CO2. CO2 este un gaz prezent întotdeauna în aerul din interior. Activitățile metabolice umane sunt generatoare de CO2.

Un studiu realizat în cadrul Departamentului de Energie de la Laboratorul Național Berkley arată că și o cantitate moderată de dioxid de carbon poate afecta percepția. În spațiile închise, cum ar fi sălile de clasă sau sălile de conferință, unde concentrarea trebuie să aibă un nivel ridicat, o concentrație crescută de CO2 poate avea efecte negative[3].

În continuare este prezentat un grafic ce arată relația între concentrația de CO2 din aer și performanțele omului ce respiră acel aer. Acest grafic prezintă nouă activități bazate pe luarea deciziilor, subiecții prezentând reduceri semnificative de performanță pentru șapte din cele nouă activități la o concentrație de CO2 de 1000 ppm și reduceri drastice de performanță la o concentrație de CO2 de 2500 ppm. Cea mai semnificativă scădere de performanță (disfuncțională) se poate observa la luarea inițiativei și la gândirea strategică[3].

Figura 2. 1 Relația dintre nivelul de concentrare și nivelul de CO2

Concentrațiile de CO2 pot crește substanțial într-o perioadă scurtă de timp datorită activităților umane. În timp ce în aer liber concentrația de CO2 rămâne în jurul valorii de 400 de particule pe milion (ppm), în interior această valoare poate crește de câteva ori chiar și în prezența unui sistem de ventilație. CO2 este un gaz inert, neinflamabil, netoxic, cu o concentrație de fond constantă. Astfel nivelul de CO2 poate fi un indicator excelent pentru a evalua dacă există volume adecvate de aer proaspăt.[1]

De asemenea creșterea temperaturii și umidității în spațiile interioare poate duce la apariția mucegaiului sau ciupercilor. Efectele prezenței acestor agenți microbieni pot fi: tulburări de respirație; dureri de cap; iritații la nivelul ochilor, nasului, și gâtului; amețeli și greață; un nivel de concentrare scăzut și oboseală[1].

2.1.2 Umiditatea relativă

Umiditatea relativă este procentul de saturație, calculat în general cu densitatea vaporilor saturați. Conform standardului ASHRAE, umiditatea ce asigură confort omului are limitele cuprinse între 40 și 70%. Sub acest nivel oamenii încep să simtă pielea uscată. Suferinzii vor simți nevoia de hiperventilare, apărând senzația de amorțeală, leșin sau pierderea concentrației[4].

La o temperatură neutră, umiditatea poate cauza disconfort din două motive: un nivel de umiditate al pielii inconfortabil sau răcirea insuficientă a membranelor mucoase din tractul respirator superior prin inhalare de aer umed sau cald[5].

Limita superioară de umiditate pentru zona de confort prescrisă în standardele pentru mediul interior are la bază mai multe criterii și considerații. Limita superioară de umiditate nu are legătură cu confortul omului, având rolul de a preveni apariția condensului, deteriorarea materialelor sau apariția acarienilor, ciupercilor sau a altor microorganisme[5].

Limita superioară de umiditate a fost stabilită prin consens și are legătură directă cu temperatura și anotimpul. Astfel pentru condiții de vară temperatura trebuie să fie de 20°C iar pentru condiții de iarnă temperatura trebuie să aibă o valoare de 18°C. Acestor valori de temperatură le corespunde o umiditate de 60 %[5].

2.1.3 Temperatura

Temperatura este unul din principalii factori ce afectează nivelul de confort. Intervalul de temperatură recomandat pentru a avea o stare confortabilă este cuprins între 22,8° C și 26,1° C. Când temperatura dintr-o cameră este în afara acestor limite abilitățile oamenilor de a efectua sarcini ce implică efort mental sunt afectate. O temperatură crescută reduce performanțele intelectuale iar temperaturile scăzute reduc dexteritatea[4].

2.1.4 Relația temperatură-umiditate

Studiile au demonstrat că temperatura și umiditatea influențează semnificativ percepția asupra calității aerului. Astfel s-a observat că aerul este perceput ca fiind mai puțin acceptabil dacă temperatura și/sau umiditatea cresc[6].

Aerul este perceput ca fiind foarte proaspăt atunci când este rece și uscat, în timp ce aerul umed este întotdeauna perceput ca fiind sufocant chiar dacă aerul este curat[6].

2.2 Contribuții aduse de cercetători în domeniul măsurării calității aerului

În lucrarea ” SmartVent: A Context Aware IoT System to Measure Indoor Air Quality and Ventilation Rate”, Divya Lohani și Debopam Achary încearcă să achiziționeze date legate de calitatea aerului cu ajutorul a două sisteme diferite. Primul sistem este format dintr-un modul Arduino la care a fost conectat un senzor de temperatură, umiditate și calitate a aerului iar al doilea sistem este format dintr-un Sensordrone compatibil cu un telefon cu sistem de operare Android. Ambele sisteme au fost utilizate în diferite scenarii: configurația bazată pe Arduino a fost utilizată în interiorul facultății iar cea bazată pe Sensordrone în locuri în care nu a fost posibilă realizarea set-up-ului cu Arduino.

Configurația bazată pe o placă de dezvoltare are în componență următoarele elemente:

Arduino Uno R3

Senzorul de temperatură și umiditate DHT 22

Un senzor de gaz

Un modul WiFi ESP8266

O sursă de alimentare externă

Potrivit autorilor rolul modulului WiFi este de a transmite datele la un server.

Cealaltă configurație a fost formată doar din două elemente:

Sensordrone

Telefon mobil cu sistem de operare Android

Prin acest experiment autorii au demonstrat că un număr mare de persoane într-o încăpere

duce la creșterea concentrației de CO2[1].

Figura 2. 2 Evoluția concentrației de CO2 în funcție de timp

Totuși, după cum se poate observa concentrația de CO2 nu crește brusc. În concluzie această concentrație este influențată de numărul de oameni aflați într-o încăpere și durata de timp în care acești oameni stau în acea încăpere[1].

În lucrarea ” A high precise E-nose for daily indoor air quality monitoring in living environmen”, Jie Hea,Liyuan Xub, Peng Wangb și Qin Wangb prezintă un sistem capabil să monitorizeze zilnic calitatea arului.

De obicei senzorii de gaz sunt sensibili la o gamă larga de gaze, ceea ce face dificilă identificarea corectă a compusului chimic. Pentru a depăși acest dezavantaj autorii au folosit mai multe tipuri de senzori folosiți pe scară largă în domeniul industriei. Din acest motiv proiectarea matricei senzorilor și algoritmul de recunoaștere a modelului sunt cheia acestui proiect[7].

Modulul de comandă este realizat cu ajutorul plăcii de dezvoltare STM32 și un transceiver de putere mică ce lucrează pe frecvența de 2.4 GHz (AT86RF231)[7].

Figura 2. 3 Sistemul E-nose

După cum se poate vedea senzorii folosiți sunt TGS2600, TGS2602, QS-01 și SHT 10. Acești senzori sunt sensibili la contaminările interioare sau umiditate[7].

Astfel cu ajutorul acestui sistem autorii au reușit să monitorizeze calitatea aerului din interior și să realizeze o platformă experimentală pentru a simula aerul condiționat din interior și pentru a observa concentrația de formaldehidă.

În lucrarea ” A Cost-Effective Wireless Sensor Network System for Indoor Air Quality Monitoring Applications”, Sherin Abraham și Xinrong Li prezintă un sistem wireless cu preț redus, dezvoltat cu ajutorul plăcii de dezvoltare Arduino, ce are capacitatea de monitoriza calitatea aerului din interior.

Sistemul dezvoltat este echipat cu mai mulți senzori conectați la o unitate de procesare. Acesta mai are în componență și un modul ce transmite datele wireless.

Procesarea datelor se realizează cu ajutorul plăcii de dezvoltare Arduino Uno. După procesare datele sunt transmise prin intermediul unui modul Xbee[8].

Pentru măsurarea nivelului de CO2, autorii au folosit senzorul MG811. Acesta funcționează pe principiul celulelor electrolitice solide. Când senzorul este expus la CO2, reacțiile chimice apar producând o forță electromotoare.

Temperatura suprafeței senzorului trebuie să fie suficient de mare pentru ca această reacție să aibă loc[8].

Figura 2. 4 Nod de senzori pentru măsurarea temperaturii, umidității, concentrației de CO2 și numărului de compuși organici volatili

Senzorul TGS2602 a fost utilizat pentru a măsura cantitatea de compuși organici volatili. Acest senzor este realizat pe baza unui strat de oxid metalic cum ar fi dioxidul de staniu sau dioxidul de zinc. Stratul de detecție este format pe un substrat de alumină cu un încălzitor integrat. Conductivitatea senzorului crește când este expus la gaze detectabile. Schimbarea conductivității produce un semnal de ieșire corespunzător concentrației de gaz. Senzorul MQ7 are același principiu de funcționare și a fost folosit pentru a măsura concentrația de CO. Senzorul de ozon MQ131 este de asemenea un senzor de tip semiconductor ce necesită încălzire. Principiul de funcționare a fost descris anterior[8].

Pentru a măsura temperatura și umiditatea autorii au folosit senzorul digital RTH3. Acesta este precalibrat și poate fi conectat direct la pinii digitali ai unui microcontroler fără a fi necesară o altă interfață[8].

În lucrarea ” An Integrated Sensing Systems for Real-Time Indoor Air Quality Monitoring”, Jung-Yoon Kim, Chao-Hsien Chu și Sang-Moon Shin prezintă implementarea unui sistem ce monitorizează calitatea aerului în timp real.

Sistemul dezvoltat are capacitatea de a măsura calitatea aerului din interior dar și din

exterior. Rețeaua de senzori măsoară parametrii aerului și trimite datele prin radio frecvență[9].

Figura 2. 5 Nod de senzori pentru monitorizarea aerului

Fiecare nod de senzori are un microprocesor ce realizează procesare și stocare locală de date și un modul de comunicație radio de putere redusă. Modulul prezentat de autori are în componență patru senzori de gaz: TGS2600 are rolul de a monitoriza contaminanții gazoși din aer cum ar fi hidrogenul sau monoxidul de carbon; TGS2602 are rolul de a măsura cantitatea de compuși organici volatili; GSNT11 este un senzor sensibil la ; TGS5042 a fost folosit pentru a măsura cantitatea de CO din aer; T6613 a fost utilizat pentru a măsura cantitatea de ; senzorul MiCS-2610 a fost folosit pentru a măsura nivelul de ; SO2-AF a fost folosit pentru măsurarea nivelului de [9].

Pentru măsurarea temperaturii și umidității, autorii au utilizat senzorul DHT11. Toți acești senzori au fost conectați la placa de dezvoltare Raspberry Pi deoarece oferă soluții comode de conectare la servere de tip cloud[9].

În urma testelor autorii lucrării au notat că o cantitate foarte mare de date transmise scade nivelul bateriei. O altă problemă observată este aceea că fiecare senzor are nevoie de o precalibrare. În special senzorii de gaz au tendința de a reacționa și la alte gaze prezente în aer. Din această cauză datele de la ieșirea senzorului pot conține valori eronate. Acest fenomen este cunoscut drept sensibilitate încrucișată[9].

În urma măsurătorilor autorii au observat că în aer sunt multe substanțe solide și gazoase ce pot afecta calitatea acestuia. Totuși locația, densitatea populației, dimensiunea unei încăperi sau aerul condiționat sunt factori ce au un aport foarte mare în ceea ce privește fluctuația calității aerului[9].

În lucrarea ” Automated Indoor Air Quality Monitor and Control”, D. Mahanth Mukesh și Sai Karishma Akula prezintă un sistem ce poate fi controlat și monitorizat cu ajutorul unui telefon mobil folosind conceptul de Internet Of Things. Sistemul propus monitorizează nivelul de CO și CO2 dintr-o cameră și avertizează utilizatorul dacă limitele tolerate sunt depășite. Acest set-up a fost implementat folosind Raspberry Pi, ce folosește o bază de date pentru a monitoriza valorile și un server ce poate fi accesat cu ajutorul unui smartphone[10].

Pe lângă componentele cu rol de coordonare și stocare , sistemul mai are în componență senzori și elemente de activare/dezactivare a ventilației.

Figura 2. 6 Automated Indoor Air Quality Monitor and Control

Pentru detecția nivelului de CO din încăpere este folosit senzorul MQ-7. Acest tip de senzor are sensibilitate crescută la CO și un preț scăzut. Pentru măsurarea nivelului de CO2 autorii au folosit senzorul COZIR-A[10].

O aplicație Android a fost dezvoltată pentru a accesa sistemul prin intermediul internetului. Aceasta este conectată la serverul găzduit de Raspberry Pi și primește datele transmise de senzori. Datele salvate pot fi de asemenea accesate la cerere. Aplicația are și rolul de a avertiza utilizatorul atunci când limitele de CO sau CO2 au fost depășite. Astfel utilizatorul poate porni sistemul de ventilație cu ajutorul butonului de ON/OFF prezent în aplicație[10].

În lucrarea ”Indoor Air Quality: IoT Solution”, Prajwala Srivatsa și Amit Pandhare, prezintă un sistem bazat pe o rețea de senzori cu ajutorul cărora se poate facilita îmbunătățirea calității aerului dintr-o încăpere. Rolul senzorilor este de a colecta datele care mai apoi vor fi transmise pe un server și prelucrate.

Figura 2. 7 Indoor Air Quality: IoT Solution

Senzorii folosiți au capacitatea de a de a monitoriza concentrația de CO2 în părți pe milion. Pentru o citire cât mai corectă a valorilor acești senzori au fost poziționați în jurul camerei. Deoarece nodurile acestei rețele sunt wireless a fost necesară introducerea unui access point reprezentat de o placă de dezvoltare Raspberry Pi. Acess point-ul trimite datele mai departe către server. Acesta stochează toate datele primite, le afișează și realizează calculele necesare.

Dezavantajul acestei aplicații este acela că se execută doar operațiuni de monitorizare ale aerului dintr-o încăpere. Sistemul propus de Prajwala Srivatsa și Amit Pandhare nu execută și operațiuni de decizie sau execuție. Astfel calitatea aerului rămâne aceeași.

În lucrarea ” A Low-Power Wireless Sensor for Online Ambient Monitoring”, Silviu C. Folea și George Mois prezintă un sistem compact, alimentat cu ajutorul unor baterii, ce are rolul de a monitoriza temperatura, umiditatea relativă, nivelul dioxidului de carbon, valoarea absolută a presiunii și intensitatea luminii în spațiile interioare. Acest sistem trimite datele măsurate prin

intermediul infrastructurii wireless existente dar le poate afișa și pe un dispaly LCD local.

Figura 2. 8 Low-Power Wireless Sensor for Online Ambient Monitoring

Nucleul acestui dispozitiv este reprezentat de sistemul programabil PsoC 3. Aceasta este partea centrală și are rolul de a iniția toate acțiunile necesare măsurătorilor[11].

Pentru transmiterea datelor autorii au utilizat modulul wireless RN-131C/G. Senzorul folosit pentru măsurarea nivelului de CO2 este CozirTM. Acest tip de senzor a fost special dezvoltat pentru aplicații ce folosesc baterii pentru alimentare. Temperatura și umiditatea a fost măsurată cu ajutorul senzorului digital DHT22. În starea activă acest tip de senzor consumă 1 mA iar în sleep mode consumă 40 µA. Totuși acuratețea măsurătorilor nu este foarte bună dar poate fi folosit în sisteme destinate monitorizării din cadrul unei locuințe [11].

Autorii au folosit senzorul MPL115A2 pentru măsurarea presiunii atmosferice absolute iar pentru măsurarea intensității luminii au folosit senzorul TSL2561. Ambii senzori comunică cu microcontroler-ul cu ajutorul interfeței I2C[11].

Întregul sistem este alimentat de la o baterie C3123A de 3V. Pentru a prelungi durata de utilizare a bateriei s-a folosit un circuit care deconectează ieșirea alimentării pentru anumite perioade de timp. În modul de repaus acest circuit folosește doar 1 μA, în timp ce restul sistemului este deconectat de la sursa de alimentare. Pentru a face posibil acest lucru se fac doar 60 de citiri pe oră. Astfel autorii estimează o durată de funcționare a bateriei de până la trei ani[11].

Pentru afișarea datelor citite s-a folosit LabVIEW ce rulează pe un computer. După ce datele sunt procesate sunt transmise pe un server de tip cloud pentru stocare[11].

În lucrarea ”Spatio-temporal measurement of indoor particulate matter concentrations using a wireless network of low-cost sensors in households using solid fuels”, Sameer Patela , Jiayu Lia , Apoorva Pandeya , Shamsh Pervezb , Rajan K. Chakrabartya și Pratim Biswas au implementat un sistem ce măsoară cantitatea de particule din aer, și care furnizează informații despre distribuția spațio-temporală a poluării aerului din interior.

O caracteristică a studiului a fost distribuirea mai multor senzori low-cost și folosirea unui sistem wireless pentru colectarea datelor. Senzorii Sharp GP2Y1010AU0F au fost utilizați în acest studiu datorită liniarității ridicate față de referință și stabilității operaționale ridicată. Acest senzor funcționează prin detectarea luminii dispersate de particule. Sursa de lumină este o diodă care emite în infraroșu iar detectorul este un fototranzistor ce convertește lumina într-o tensiune de ieșire[2].

Două componente adiționale au fost atașate senzorilor pentru a transmite datele wireless și pentru a crea o rețea locală. Aceste componente includ un router XBEE pentru a comunica cu sistemul de achiziție de date[2].

Figura 2. 9 Sistem de măsurare a cantității de particule din aer cu ajutorul senzorului Sharp GP2Y

Conform autorilor acești senzori au fost distribuiți aleatoriu în interiorul unei locuințe. În urma măsurătorilor autorii au ajuns la concluzia că distribuția spațio-temporală a particulelor din aer este afectată de sistemele de ventilație, suprafața încăperii sau modul în care este utilizat spațiul unei încăperi.

În lucrarea ” Temperature and Humidity Calibration of a Low-Cost Wireless Dust Sensor for Real-Time Monitoring”, Hannaneh Hojaiji, Haik Kalantarian , Alex A.T. Bui, Christine E. King Majid Sarrafzadeh prezintă proiectarea, calibrarea și validarea unui senzor portabil low-cost, folosit pentru măsurarea cantității de particule de praf din mediu dar și pentru măsurarea temperaturii.

Figura 2. 10 Senzor de praf wireless

Senzorul folosit pentru măsurarea numărului de paricule din aer este Sharp iar pentru măsurarea temperaturii a fost folosit un senzor DHT22. Datele au fost transmise către telefonul mobil cu ajutorul unui modul bluetooth. Mai departe telefonul mobil a trimis datele către un server de tip cloud. Pentru a evita erorile asociate interferenței luminii cu senzorul de praf, întreg sistemul a fost amplasat într-o cutie neagră[12].

În urma studiilor anterioare s-a dovedit că senzorul Sharp nu are o acuratețe bună. Din acest motiv autorii au decis că este necesară o calibrare pentru a realiza citiri corecte în condiții reale. În acest scop, datele brute au fost filtrate folosind testul lui Grubb[12].

Odată ce concentrația de praf a fost determinată, datele au fost liniarizate. În studiile recente autorii au observat că senzorul de praf este afectat de temperatură și umiditate. Pentru depășirea acestui inconvenient autorii au eliminat efectele produse de cei doi factori de mediu[12].

Pentru a verifica dacă rezultatele obținute sunt corecte au fost folosiți alți doi senzori, Dylos DC1100 Pro și Alphasense OPC-N2. Acești senzori au realizat măsurători în diferite locații și condiții de mediu iar rezultatele au fost comparate[12].

Astfel autorii au demonstrat că un sistem de monitorizare a calității aerului poate avea rezultate foarte bune dacă este calibrat corect.

În lucrarea ” A WiFi-enabled Indoor Air Quality Monitoring and Control System: the Design and Control Experiments”, Xiaoke Yang, Lingyu Yang și Jing Zhang propun o platformă wireless ce are capacitatea de a măsura și de a controla calitatea aerului dintr-o încăpere.

Sistemul propus de cei trei autori are în componență trei unități individuale: serverul, modulul de citire al datelor și unitatea de control. Toate cele teri module sunt interconectate prin intermediul rețelei WiFi. De asemenea la unitatea de control este conectat un purificator de aer[13].

Serverul este reprezentat de o placă Raspberry Pi cu sistem de operare GNU/Linux-ARM și este conectat la rețeaua WiFi prin intermediul unui router[13].

Figura 2. 11 Structura hardware a sistemului de monitorizare

Modulul de citire al datelor conține un senzor de particule, un senzor de temperatură și umiditate, un modul WiFi, un microprocesor și un display[13].

Pentru a măsura cantitatea de particule autorii au folosit senzorul SDS011. Acesta are capacitatea de a detecta particule cu dimensiuni între 0.3 până la 10 μm. Un ventilator montat în partea de sus a senzorului preia în mod activ aer pentru măsurare. Senzorul are un laser și o fotodiodă aliniată. Laserul luminează incinta iar în momentul în care sunt particule, raza va suferi refracții. Elementul fotodetector preia lumina iar în funcție de cantitatea de lumină trimite pe ieșire impulsuri electrice. Acestea sunt amplificate și eșantionate de un microprocesor printr-un convertor analog-digital[13].

Senzorul DHT22 a fost utilizat pentru a măsura temperatura și umiditatea. Acesta este format dintr-un senzor de umiditate capacitiv și un termistor. Un microprocesor face conversia analog-digital și calibrează senzorul de temperatură[13].

Modulul WiFi utilizat este ESP-12F. Pentru procesarea datelor autorii au folosit placa de dezvoltare Arduino Pro Mini[13].

Componenta principală a unității de comandă este un releu controlat prin modulul WiFi ESP-12F. Deoarece unitatea de comandă funcționează ca un întrerupător pentru purificatorul de aer, sistemul a fost alimentat de la rețea[13].

În lucrarea ”WSN Based Indoor Air Quality Monitoring In Classrooms”, autorii au încercat să măsoare parametrii aerului în unele săli de curs.

Sistemul utilizat este format dintr-un coordonator, un router și un computer. Nodul coordonator selectează frecvența pentru a accesa nodurile senzorilor, routerul fiind necesar pentru comunicare între noduri. Nodurile folosite pentru a măsura parametrii aerului sunt formate din senzorul DHT 11 (senzor de temperatură și umiditate) și MG811 (senzor folosit pentru măsurarea dioxidului de carbon)[4].

Figura 2. 12 WSN Based Indoor Air Quality Monitoring In Classrooms

Sistemul ce încorporează un Arduino, Xbee 60 mW, DHT11 și MG-811, a fost programat să efectueze măsurători timp de 5 minute. Senzorii au fost amplasați în două săli de curs cu dimensiunile de 50 și 60 [4].

În urma măsurătorilor s-a observat o creștere a concentrației de carbon la o valoare de 1000 ppm după 45 de minute. Studenții au primit două teste IQ la intervale de timp diferite. Deși întrebările au avut aceeași dificultate rezultatele celui de al doilea test au fost cu 50 % mai slabe. De asemenea umiditatea a scăzut în timp creând un nivel crescut de disconfort.

3.Descrierea sistemului propus

Pentru a aduce un aport la dezvoltarea sistemelor electronice ce se ocupa cu monitorizarea aerului s-a decis realizarea unui ansamblu format din trei module ce au rolul de a prelua date legate de calitatea aerului si de a le transmite pe un telefon mobil cu sistem de operare Android.

Este foarte important să respirăm un aer curat. Într-un mediu exterior nu putem acționa în mod direct pentru îmbunătățirea calității aerului dar dacă dorim să știm cat de curat este aerul pe care îl respirăm putem folosi acest sistem ce oferă date în timp real. În propria locuință putem acționa și asupra calității aerului folosind metode ieftine. Astfel pornind aerul condiționat când observăm că aerul are o puriate scăzută poate crește confortul din încăpere, poate spori concentrarea sau ne poate feri de anumite boli de plămâni. Uneori și o simplă aerisire a camerei poate avea efecte benefice.

Acest sistem a fost dezvoltat pentru a putea fi folosit de orice persoană care deține un telefon mobil și are acces la internet. De la început a fost gândit ca o soluție ieftină și simplă dar care să ofere niște rezultate suficient de bune.

Sistemul este unul domotic și poate fi încadrat foarte ușor în categoria Internet of Things. Totuși, acesta poate fi amplasat și în diferite puncte dintr-un oraș singurul impediment fiind o conexiune la o rețea wireless. Astfel cetățenii pot vedea calitatea aerului de afară și își pot lua diferite măsuri de protecție pentru a-și proteja sănătatea sau pentru a-și crește confortul.

Sistemul propus are componente hardware, componente software, componente de intermediere și componente de interfață grafică.

Componenta hardware este formată din trei module independente dar care conlucrează pentru a oferi utilizatorului datele de care are nevoie.

Cele trei module sunt denumite după cum urmează:

Nod1

Nod2

Master

Nod1 are rolul de a citi temperatura, umiditatea și calitatea aerului din mediul înconjurător și de a transmite datele către Master.

Nod2 citește presiunea și transmite valorile către Master.

Master primește datele de la celelalte două module, le interpretează, le afișează pe un display și le transmite către un server.

Componenta software este formată din codul pentru cele trei module dar și codul pentru interfața grafică.

Componentele intermediare sunt reprezentate de un router wireless și un server. Router-ul preia datele de la Master și le transmite către server. Datorită acestei operațiuni utilizatorul poate avea acces la valorile citite de senzori oriunde s-ar afla, singura cerință fiind să aibă un telefon cu sistem de operare Android cu aplicația instalată și acces la internet.

În continuare este prezentată o schemă de funcționare a întregului proiect.

Figura 3. 1 Modul de funcționare al sistemului propus

3.1 Descrierea funcționării sistemului din punct de vedere hardware

Din punct de vedere hardware proiectul este format din trei module. Fiecare modul are un rol bine definit în cadrul sistemului. Astfel Nod1 și Nod2 au o funcționalitate de tip slave. Aceste două noduri transmit datele necesare către Master. Comunicația între module se realizează wireless.

Primele rețele wireless au fost dezvoltate în era pre-industrială. Aceste sisteme transmiteau informații de-a lungul liniei de vizibilitate (extinsă cu ajutorul telescopului) folosind semnale cu fum, oglinzi ce transmiteau lumina intermitent sau steaguri. A fost dezvoltat un set elaborat de semnale cu ajutorul căruia se transmiteau mesaje complexe. Stațiile de observare erau construite pe dealuri și de-a lungul drumurilor pentru a transmite aceste mesaje pe distanțe cât mai mari[14].

Din punct de vedere teoretic, originile comunicației între două puncte prin intermediul undelor electromagnetice propagate prin spațiu încep de la tratatele publicate în anul 1873 de James Maxwell. După multe experimente în laborator, Heinrich Hertz reușește în anul 1888 prima comunicație prin intermediul undelor radio. Urmându-l pe Hertz mai mulți cercetători din diferite țări au experimentat propagarea acestor unde.

Primele transmițătoare au fost de tipul ”spark-gap”.

Figura 3. 2 Transmițător de tipul ”spark-gap”

Un transmițător de acest tip funcționează prin producerea unui impuls cu energie mare într-o antenă rezonantă. Unda rezultată ce are frecvența de rezonanță a antenei s-ar propaga în toate direcțiile având rolul unui semnal de detecție pentru receptor. Între timp Marconi, ce lucra în Anglia, a demonstrat în anul 1896 că se pot realiza comunicații pe o raza de 16 km utilizând un transmițător de tip spark-gap. Tot în aceeași perioadă Reginald Fassenden, ce lucra în Statele Unite, reușește prima transmisie de undă continuă modulată[15].

Sistemele dezvoltate în secolul al XX-lea au fost concepute pentru a servi diverselor aplicații comerciale și militare. Comunicația wireless între vasele aflate pe mare a fost una din primele aplicații importante deoarece o comunicație prin cablu era imposibilă. În 1899 Marina Britanică reușește să convertească comunicația de tip telegraf în date radio. Marina Imperială Rusă îi urmează rapid. Până în anul 1905 Japonia deținea cheia tehnicii și a început să intercepteze mesaje de la flota rusă ce naviga în secret către golful Tokyo. În urma informațiilor obținute Japonia a obținut victoria[16].

Inventarea tehnologiei ”audion” de către Lee DeForest în anul 1906 conduce către dezvoltarea unui tub vidat mult mai robust și mult mai fiabil.

Figura 3. 3 Audion

Tuburile vidate au făcut posibilă crearea unor oscilatoare ce puteau fi modulate pentru a putea transmite voce și muzică pe arii extinse. În anul 1910 transmițătoarele și receptoarele ce foloseau tuburi vidate le-au înlocuit pe cele cu scânteie sau arc. Transmisiunile cu ajutorul undelor modulate au deschis ușa către un spectru vast de frecvențe ce este folosit și astăzi pentru transmisiunile wireless.[15]

După apariția noilor servicii a crescut și cererea pentru spectrul de frecvențe înalte. Noi servicii ce funcționau în domeniul benzilor de frecvență foarte înalte, ultra înalte și super înalte au apărut. Tabelul următor prezintă denumirea și plaja de frecvențe stabilită internațional[15].

Tabel 3. 1 Banda de frecvențe wireless[15]

Propagarea undelor la frecvențe mari este dominată de mecanisme diferite în comparație cu propagarea undelor la frecvențe mici. La frecvențe mici și medii, propagarea undelor elecromagnetice se face la granița dintre pământ și atmosferă , fiind numite unde de sol. La frecvențe înalte și ultraînalte undele de sol emanate de transmițător încă există dar atenuarea este atât de puternică încât comunicația pe distanțe utile nu este posibilă. Mecanismul dominant de propagare al acestor unde este prin spațiu sau prin atmosferă[15].

Comunicațiile wirreless au fost folosite de asemenea în Primul Război Mondial. În anul 1914 Rusia pierde bătălia de la Tannenburg deoarece armată germană îi interceptează comunicațiile. Pe baza informațiilor aflate, aceștia din urmă cresc mobilitatea trupelor[16].

În anii 1920 comunicațiile wireless au început să fie folosite și de publicul larg odată cu apariția primei stații de emisie ce transmitea folosind modulația în amplitudine. Tot în această perioadă departamentele de poliție și pompieri au început să folosească comunicațiile mobile terestre[15]. Din acel moment creșterea comunicațiilor wireless în domeniul comercial a fost de neoprit. Transmisiunile de tip AM au fost suplimentate de transmisiunile cu unde modulate în frecvență în intervalul (88-108 MHz)[15].

Sistemele wireless fixe au fost proiectate pentru a realiza o legătură între două terminale fixe, scopul fiind acela de a oferi o conexiune fiabilă și sigură. Aceste sisteme au fost denumite ”point-to-point” (PTP). Odată cu îmbunătățirea tehnologiilor frecvențele mai mari au putut fi folosite pentru a realiza acest tip de comunicație[15].

Comunicațiile radio difereau de mijloacele predominante de comunicații electrice (telegraful și telefonul fledgling). Deoarece noul tip de comunicație nu necesita o conexiune printr-un fir de la transmițător la receptor, a fost numită comunicație wireless[15].

3.1.1 Nod1

Acest nod are rolul de a citi temperatura, umiditatea și calitatea aerului.

Figura 3. 4 Nod1

Citirea acestor parametri se realizează cu ajutorul senzorului BME680. Datele sunt trimise către microcontrolerul Atmega328 prin intermediul comunicației de tip I2C. La rândul său microcontrolerul formează pachete de date pe care le trimite prin intermediul comunicației de tip SPI către modulul electronic NRF24L01. Acesta preia pachetele și le trimite către Master.

Din punct de vedere funcțional Nod1 și Nod2 sunt asemănătoare. Totuși din punct de vedere al importanței datelor Nod1 este mult mai important deoarece oferă informații cu privire la temperatură, umiditate și calitatea aerului. Acești parametri ai aerului pot afecta în mod rapid și ireversibil sănătatea oamenilor.

Deși parametrii neconformi ai temperaturii și umidității creează doar disconfort pentru un om sănătos, pentru un om suferind pot fi fatali. Însă calitatea aerului creează mari probleme pentru toți oamenii.

Fiecare modul este alimentat cu ajutorul a trei baterii din litiu, de tipul CR2032, produse de ENERGIZER.

3.1.1.1 Blocul funcțional Atmega328

La toate modulele, microcontrolerul folosit este Atmega328P-AU produs de compania Atmel. Acesta este un circuit integrat ce are o memorie EEPROM 1024B și o memorie SRAM de 2048B. Frecvența de sincronizare este de 20MHz. Microcontroller-ul dispune de 23 pini intrare/ieșire, șase canale PWM și două timere pe 8 biți. Din considerente estetice s-a ales o capsulă SMT și anume TQFP32.

Tensiunea la care lucrează acest circuit poate fi cuprinsă între 1.8V și 5.5V DC.

În funcționare schema electrică are la bază o frecvență de oscilație de 16 MHz realizată cu ajutorul unui cristal de cuarț. Acesta este conectat la masa prin doi condensatori ceramici în capsulă 0603 care au valoarea de 22pF. Pentru a reseta circuitul se folosește un rezistor de 10 KΩ ce menține în permanență tensiunea de 5V pe pinul RESET. La acționarea întrerupătorului tensiunea este pusă la masă având loc resetarea microcontroler-ului.

Schema electrică a acestui bloc este următoarea:

Figura 3. 5 Microcontroller-ul

Microcontrolerul Atmega328 comunică cu senzorul BME680 prin interfața I2C. Acest tip de comunicație are la bază transferul de date dintre un master și minim un slave. Comunicația I2C folosește drena deschisă/collector deschis cu un buffer pe aceeași linie, ceea ce permite folosirea unei singure linii de comunicație pentru transfer de date bidirecțional. Fiecare dispozitiv de pe magistrala de comunicație I2C are o adresă specifică pentru a putea fi diferențiate între ele. Pentru a realiza acest tip de comunicație sunt necesare doar două fire: clock (SCL) și serial data (SDA). Ambele linii trebuie conectate la VCC printr-un rezistor de pull-up. Valoarea rezistorilor de pull-up este determinată de capacitatea de pe liniile I2C[17].

Procedura generală prin care un master accesează un dispozitiv de tip slave este următoarea:

1.Master-ul dorește să trimită date către slave:

Transmițătorul master trimite condiția de START și accesează receptorul de tip slave

Transmițătorul master trimite datele către receptorul de tip slave

Transmițătorul master termină transferul de date prin condiția STOP

2.Master-ul dorește să primească/citească date de la slave

Receptorul master trimite condiția START și adresează receptorul slave

Receptorul master trimite registrul cerut pentru a citi transmițătorul slave

Receptorul master primește datele

Receptorul master termină transferul de date prin condiția STOP

Comunicația dintre microcontroler și modulul NRF24L01 se realizează prin intermediul interfeței SPI. Serial Pheripheral Interface este un protocol de comunicație foarte comun folosit pentru comunicația dintre două dispozitive. Magistrala SPI standard este formată din patru semnale:

Master Out Slave In (MOSI)

Master In Slave Out (MISO)

Clock (SCK)

Slave Select (SS)

O magistrală SPI are un master și unu sau mai mulți slave. Master-ul folosește semnalul SS pentru a selecta cu care slave dorește să comunice.

3.1.1.2 Senzorul BME680

BME680 este un senzor ce poate măsura concentrația de gaz, umiditatea, presiunea și temperatura[18].

Figura 3. 6 BME680

Acest senzor poate fi folosit in aplicații cum ar fi:

Măsurarea calității aerului din interiorul unei camere

Automatizări în cadrul locuinței

IOT

Prognoza meteo

Măsurarea vitezei verticale

Dispozitivele care pot utiliza acest senzor pot fi următoarele:

Dispozitive mobile cum ar fi telefoanele, tabletele, dispozitivele GPS

Stații meteo realizate acasă

Smart watches

Sisteme de navigație

Dispozitive IOT

Senzorul suporta moduri de alimentare la un nivel scăzut: modul de repaus și modul de lucru intens.

După o secvență de pornire senzorul se va afla automat în modul repaus. Dacă dispozitivul efectuează o măsurătoare, execuția comenzilor de comutare a modului este întârziata până la sfârșitul perioadei de măsurare care rulează în prezent.

În modul de lucru conversia temperaturii, umidității, presiunii și concentrației de gaz este realizată secvențial[18].

Figura 3. 7 Secventa de funcționare BME680

Unde:

T – Temperatură

P – Presiune

H – Umiditate

BME680 este un senzor bazat pe un oxid de metal ce detectează compuși organici volatili prin absorbție (și oxidarea ulterioara/reducerea) pe stratul sensibil. Astfel senzorul reacționează la compușii volatili ce poluează aerul interior. În contrast cu senzorii ce selectează o componentă specifică, BME680 este capabil sa măsoare suma de compuși organici volatili / agenți de contaminare în aerul din jur. Acest lucru permite senzorului BME680 să detecteze de exemplu scurgeri de vopsea, miros de gunoi, niveluri ridicate de compuși organici volatili datorită gătitului sau consumului de alimente, expirația și/sau transpirația[18].

Ca semnal brut, BME680 va emite valori ale rezistenței ce se modifică în funcție de concentrațiile de compuși organici volatili. Deoarece acest semnal brut este influențat de alți parametri decât concentrația de compuși organici volatili, valorile brute se transformă într-un indice de calitate a aerului interior cu ajutorul algoritmilor din interiorul BSEC. Indicele de calitate a aerului variază între 0 (aer curat) si 500 (aer foarte poluat). În timpul funcționării algoritmii se calibrează automat și se adaptează la mediul în care operează senzorul[18].

3.1.1.3 NRF24L01

NRF24L01 este un transceiver ce funcționează la frecvența de 2.4GHz, destinat aplicațiilor wireless ce necesită o putere de transmitere foarte mică. NRF24L01 este proiectat pentru operațiuni în banda de frecvență cuprinsă între 2.400 GHz și 2.4835 GHz[19].

Figura 3. 8 NRF24L01

Protocolul benzii de bază este bazat pe comunicarea prin pachete de date suportând atât operațiuni manuale cât și operațiuni autonome avansate[19].

Transmiterea datelor se realizează folosind modulația GFSK. Acest tip de transciver suportă configurarea unor parametri cum ar fi : frecvența canalului, puterea de emisie și dimensiunea pachetului de date. Această dimensiune poate fi de 250kbps, 1Mbps și 2 Mbps[19].

Figura 3. 9 Schema bloc a modului NRF24L01

Pentru a stoca intern datele acest transciver folosește metoda FIFO (first in first out). Tranziția între modurile de operare ale cipului este asigurată de un automat finit. NRF24L01 poate fi configurat în următoarele moduri de lucru: power down, standby, RX sau TX[19].

Schema logică pe care se bazează funcționarea modulului wireless NRF24L01 este următoarea:

Figura 3. 10 Diagrama de stare pentru comanda radio

În modul de lucru power down modulul este dezactivat consumând minimul de curent. Toate valorile înregistrate sunt menținute iar linia de comunicație SPI este menținută activă[19].

Modul de lucru Standby este folosit pentru a minimiza consumul de curent, în timp ce se realizează unele porniri scurte. În acest mod de lucru doar oscilatorul este activ. Schimbarea în modul activ se realizează doar atunci când pinul CE primește o valoare de tensiune echivalentă cu 1 logic[19].

Modul RX este unul activ modulul fiind folosit pe post de receptor. În acest mod de lucru receptorul demodulează semnalul preluat de la canalul radio și prezintă datele motorului însărcinat cu protocolul benzii de bază. Acesta caută în permanență pachete de date valide. Dacă un pachet valid este găsit, datele din acest pachet sunt transferate într-un slot valid din RX FIFO. Dacă stiva RX FIFO este plină, pachetul primit este înlăturat. În modul RX un semnal, ce monitorizează puterea primită, este disponibil, Acest semnal are valoarea high când semnalul radio recepționat este mai mare de -64 dBm[19].

Atunci când modul TX este activ modulul transmite pachete de date. Acesta intră în modul TX doar dacă receptorul este setat pe o valoare low și există o sarcină în stiva TX FIFO ce poate fi transmisă. Dacă stiva TX FIFO nu este goală NRF24L01 rămâne în modul TX și transmite următorul pachet. Dacă stiva TX FIFO este goală modulul intră în modul standby. Acest transciver operează în buclă deschisă când este în modul TX[19].

Aplicații în care poate fi utilizat modulul NRF24L01:

Periferice PC wireless

Mouse, tastatură wireless

Căști VoIP

Controlere pentru jocuri

Ceasuri și senzori pentru monitorizarea parametrilor corpului

Automatizări domotice și comerciale

Rețele de senzori de mică putere

Sisteme de monitorizare a traseului

Jucării

Remote control pentru aparate electrocasnice

3.1.1.4 Bateria CR-2032

Inițial celulele de Litiu au fost dezvoltate în anul 1970 ca o sursă de tensiune de 3V. Acestea erau utilizate în aplicații de back-up deoarece au o durată de viață îndelungată,

dimensiune redusă și capacitate de stocare a energiei mare.

Figura 3. 11 Bateria CR2032

În aplicații capacitatea unei baterii depinde de rata de descărcare și de taiere. În general bateriile cu litiu sunt mai eficiente la rate de descărcare mici.

Figura 3. 12 Rata de descărcare a bateriilor

Temperaturile scăzute cauzează reacții electrochimice ce au loc în interiorul bateriei pentru a reduce mobilitatea ionilor în electrolit. În general frigul are un impact negativ asupra performanțelor bateriei deoarece acesta provoacă scăderea tensiunii și reduce timpul de funcționare.

Durata de viață a unei baterii din litiu, depozitată la temperatura camerei și umiditate relativă, este de 10 ani. Când sunt stocate la temperatura camerei aceste baterii pierd aproximativ 1% din capacitatea lor într-un an.

Figura 3. 13 Rata de descărcare a bateriei la temperatura camerei fără consumatori externi

3.1.1.5 Boost converter-ul

Rolul acestui circuit este de a asigura o tensiune continuă de 5V necesară alimentării celorlalte module electronice. Schema electrică este următoarea:

Figura 3. 14 Boost converter

Acest modul are în componență o bobină cu valoarea de 47 µH. Această valoare este suficientă pentru a permite utilizatorului să folosească o zonă redusă pe PCB dar suficient de mare pentru a menține a valoare a riplurilor mică. Valorile mici ale inductanței oferă un curent de ieșire mare, dar de asemenea cresc valoarea riplurilor și reduc eficiența. Valorile mari ale inductanței reduc riplul și îmbunătățesc eficiența dar de asemenea limitează curentul de ieșire. Bobina ar trebui să aibă o valoare DCR cât mai mică, de obicei mai mică de 1 Ω pentru a minimiza pierderile. Curentul de saturație al bobinei trebuie să fie mai mare decât maximul de curent necesar funcționării aplicației.

Dioda este principala sursă de pierderi în convertoarele DC-DC. Cei mai importanți parametri care afectează eficiența sunt căderea de tensiune și timpul de recuperare inversă. Căderea de tensiune creează pierderi doar pentru simplul fapt că există o tensiune pe dispozitiv în timp ce acest dispozitiv este parcurs de un curent. Timpul de recuperare inversă generează o pierdere atunci când dioda este polarizată invers, și aparent curentul curge invers prin diodă. Pentru astfel de aplicații se recomandă o diodă Schottky cu următoarele caracteristici:

Tensiune directă mai mică de 0.3V

Scurgere de curent invers mică

Timp de recuperare inversă mic / viteză de comutație

Tensiune inversă mai mare decât tensiunea de ieșire

Condensatorul de intrare poate stabiliza tensiunea de intrare și reduce eventuale ripluri generate de sursă. Valoarea condensatorului depinde de impedanța sursei de tensiune folosită. În general se folosesc condensatori cu valoarea rezistenței serie echivalentă cât mai mică. Astfel un condensator ceramic sau cu tantal cu valoarea de 10 µF este suficient.

3.1.2 Nod2

Acest modul este asemănător cu modulul Nod1, singura diferență fiind senzorul BMP280.

Figura 3. 15 Nod2

Acest senzor are rolul de a prelua date legate de presiunea aerului. Aceste date sunt transmise apoi microcontrolerului Atmega328. Acesta are rolul de a interpreta valorile și de a le transmite apoi transciver-ului NRF24L01. Prin intermediul acestui transciver datele ajung la modulul denumit Master. Datele oferite de acest senzor sunt mai puțin importante deoarece în condiții normale presiunea nu are efecte fatale asupra corpului uman. Totuși modificările de presiune pot crea disconfort persoanelor ce suferă de anumite boli pulmonare sau cardiace.

În cadrul circuitului senzorul are rol de slave comunicând cu microcontroler-ul prin intermediul interfeței I2C.

3.1.2.1 BMP 280

BMP280 este un senzor de presiune barometric special conceput pentru aplicații mobile. Modulul senzorului este găzduit într-o carcasă LGA cu 8 pini. Dimensiunea redusă și consumul redus de energie (2,7µA la o frecvență de lucru de 1Hz) permit folosirea acestui senzor în dispozitive cum ar fi telefoanele mobile, modulele GPS sau ceasuri[20].

Figura 3. 16 BMP280

BMP280 este alcătuit dintr-un element de detectare a presiunii piezo-rezistiv și un ASIC. ASIC-ul efectuează conversii analog/digitale și furnizează rezultatele printr-o interfață digitală[20].

Acest senzor poate opera în trei moduri:

Modul sleep

Modul normal

Modul forțat

În modul sleep , nu sunt realizate măsurători. Modul normal alternează între perioade în care senzorul realizează măsurători și perioade de repaus. În modul forțat se realizează o singură măsurătoare iar apoi senzorul intră în modul sleep[20].

Schema internă a acestui senzor este următoarea:

Figura 3. 17 Schema interna BMP280

Perioada de măsurare a acestui senzor constă din preluarea datelor legate de temperatură și umiditate. După preluarea datelor, acestea sunt trecute printr-un filtru pentru a elimina fluctuații pe termen scurt ale presiunii.

Acest senzor poate fi folosit în următoarele aplicații:

GPS

Stații meteo personale

Aplicații de monitorizare a sănătății

Indicarea vitezei verticale

Aeromodele

Ceasuri

3.1.3 Master

Din punct de vedere hardware, acest dispozitiv este elementul central al aplicației.

Figura 3. 18 Master

Acesta are în componență microcontroler-ul Atmega328, transciver-ul NRF24L01, modulul wireless ESP8266, un afișor de tip OLED și un avertizor acustic de tip Buzzer.

Datele transmise de dispozitivele cu senzori sunt preluate de transciver. Acesta le transmite la microcontroler. Pe display va fi afișată temperatura, umiditatea, presiunea și calitatea aerului. În cazul în care una din aceste valori nu se încadrează în limitele admise avertizorul acustic va intra în funcțiune. Aceste date sunt transmise și către server prin intermediul modulului wireless ESP8266.

3.1.3.1 ESP8266

Modulul WiFi ESP8266 este dezvoltat de echipa Ai-thinker.

Figura 3. 19 ESP8266

Modulul încapsulează un microcontroller pe 32 de biți de ultimă generație, cu un mod scurt pe 16 biți. Frecvența semnalului de clock poate fi de 80 MHz SAU 160 MHz. ESP8266 suportă RTOS și antena WiFi imprimată pe PCB. Modulul suportă standardul IEEE802.11 b/g/n și pachetul complet de protocoale TCP/IP[21].

Figura 3. 20 Diagrama bloc a modulului ESP8266EX

ESP8266EX poate fi folosit pentru a găzdui aplicația sau pentru a descărca funcțiile de rețea de la un alt procesor. Când ESP8266EX găzduiește aplicația, modulul bootează direct de pe o memorie externă[21].

Alternativ, servind ca un adaptor WiFi, accesul la internet poate fi adăugat la orice aplicație bazată pe microcontrolere ce suportă interfață SPI/SDIO sau I2C/UART. Acest modul integrează amplificatoare de putere, amplificatoare cu zgomot redus pentru semnalul recepționat, filtre, module pentru gestionarea puterii. De asemenea integrează o versiune îmbunătățită a procesorului de 32 biți din seria L106 Diamond[21].

ESP8266 are încorporat un controler de memorie. MCU poate accesa memoria prin intermediul interfețelor iBus, dBus și AHB. Toate unitățile de memorie pot fi accesate la cerere, în timp ce un arbitru de memorie va decide secvența de funcționare în funcție de momentul în care aceste cereri sunt primite de către procesor[21].

Pentru a economisi energia, modulul poate intra în trei moduri de sleep:

Modem Sleep

Cât timp modulul funcționează în modul Modem Sleep consumul de curent este de 15mA. Astfel modulul menține o conexiune WiFi dar nu transmite date[21].

Light Sleep

În timpul modului Light Sleep procesorul poate fi suspendat în aplicații precum transmiterea secvențială de date. Fără date ce necesită a fi transmise modulul WiFi poate fi oprit iar procesorul suspendat. Pe durata acestui mod de lucru consumul de curent este de 0.9 mA[21].

Deep Sleep

Acest mod de lucru nu necesită menținerea conexiunii WiFi. Modul de lucru Deep Sleep se folosește pentru aplicații ce transmit date cu decalaj mare. Pe durata de funcționare în modul Deep-Sleep modulul consumă 10 uA[21].

Aplicații:

Plăci de alimentare inteligente

Automatizări domotice

Noduri de rețea

Comenzi industriale wireless

Camere IP

Dispozitive de localizare WiFi

Rețele de senzori

În cadrul circuitului acest modul necesită câteva componente adiacente. Schema electrică a blocului funcțional este următoarea:

Figura 3. 21 Blocul funcțional ESP8266

Deoarece modulul este foarte sensibil la fluctuații de tensiune, pinul de alimentare trebuie să fie conectat la un condensator electrolitic cu valoarea minimă de 47µF. Pentru acest circuit s-a folosit un condensator electrolitic de 200 µF și un condensator ceramic de 100 nF. Acest modul funcționează cu o tensiune maximă de 3,3 V.

În funcționare normală pinul de Reset trebuie sa fie conectat la 3V3 printr-un rezistor de 10kΩ. Dacă se dorește resetarea modulului se apasă butonul iar pinul de Reset va fi conectat la GND.

Pe toată perioada funcționării pinul Enable trebuie să fie conectat la tensiunea de 3,3 V printr-un rezistor de 10kΩ. Pinu GPIO15 trebuie să rămână conectat la GND printr-un rezistor de 10kΩ.

În timpul programării pinul GPIO0 trebuie să fie conectat la GND dar în timpul funcționării normale acest pin trebuie conectat la 3V3 printr-un rezistor de 10kΩ. Pentru a putea realiza acest lucru s-a folosit un dip-switch. Dacă este necesară programarea modulului pinul 1 al dip-switch-ului va fi pe poziția OFF iar pinul 2 pe poziția ON. După programare se comută switch-ul 1 pe poziția ON iar switch-ul 2 pe poziția OFF.

Modulul wireless ESP8266 comunică cu microcontroler-ul prin interfața serială. Deoarece această interfață este folosită și pentru programarea modului a fost necesară realizarea unei combinații de dip-switch-uri prin care se închide sau se deschide conexiunea dintre modul și microcontroler. Astfel în timpul programării comunicația dintre cele două componente este oprită. După programare comunicația dintre ESP8266 și programator este oprită iar comunicația dintre microcontroler și modulul wireless pornită. Din acel moment Atmega328 începe să transmită date către ESP8266. Deoarece Atmega328 funcționează la tensiunea de alimentare de 5V iar ESP8266 la tensiunea de alimentare de 3,3 V a fost necesară realizarea unui shifter de tensiune. Există două variante foarte simple pentru realizarea acestui montaj, ambele fiind incluse în schema electrică. Aceste translatoare de nivel sunt divizorul de tensiune și dioda Zenner. Translatorul de nivel a fost plasat pe linia de recepție a datelor a modulului wireless. Astfel datele transmise la un nivel de 5V de către Atmega328 vor fi recepționate la un nivel de tensiune logică de 3,3V de către ESP8266.

3.2Descrierea funcționării sistemului din punct de vedere software

3.2.1 Descrierea algoritmilor de funcționare pentru cele trei module

Fiecare din cele trei module are un cod de programare specific. Deși nodurile care culeg datele au o funcționare asemănătoare sunt programate diferit datorită faptului că fiecare din cei doi senzori utilizați au o librărie proprie. Totuși algoritmul de funcționare este asemănător. Algoritmul este foarte simplu modulele având doar rolul de a culege date fără a lua decizii. Senzorii citesc datele, le transmit la microcontroler, acesta face o procesare rudimentară și formează pachetele de date ce sunt transmise prin intermediul transciver-ului NRF24L01 către modulul principal.

Spre deosebire de nodurile care culeg date, modulul principal preia datele, le procesează, ia anumite decizii, avertizează utilizatorul dacă este cazul, afișează valorile pe un display și transmite datele către ESP8266. ESP8266 are cod de programare propriu. Deoarece modulul WIFI nu are și rol decizional, acesta doar preia datele de la ATMEGA328 și le transmite la server cu ajutorul internetului.

Programarea tuturor modulelor s-a realizat în Arduino, iar codul poate fi consultat la Anexe.

3.2.2 Descrierea interfeței grafice

Interfața grafică a fost realizată în mediul de programare App Inventor. Acesta este un tool online gratuit ce permite utilizatorului să realizeze aplicații pentru sistemele de operare Android cu ajutorul unor blocuri deja predefinite.

Aplicația Android este compusă din două ferestre.

Fereastra1 conține numele realizatorului proiectului dar și numele îndrumătorului de proiect.

Figura 3. 22 Pagina de start

Pe mijloc se află un buton cu numele START. Prin apăsarea acestui buton se trece în Fereastra2

Fereastra2 afișează ultimele valori stocate pe server. Astfel utiliztorul poate vedea Temperatura, Umiditatea, Presiunea și Calitatea aerului.

Figura 3. 23 Pagina afișare valori

Codul aplicației Android este realizat cu ajutorul unor blocuri deja realizate. În continuare este prezentat codul pentru fereastra care afișează valorile stocate pe server.

Figura 3. 24 Cod aplicație Android

3.3 Descrierea server-ului

Pentru a putea prelua datele de pe internet este necesară o stocare a acestora. Aplicație care are rol de server se numește Firebase. Acest tool este oferit de Google gratuit. Fiecare utilizator poate crea două proiecte. Dacă se dorește crearea a mai mult de două proiecte este necesar ca utilizatorul să plătească o anumită sumă de bani.

Această aplicație este foarte ușor de folosit. În momentul în care ESP8266 transmite datele pentru prima data către Firebase se creează automat patru Tag-uri cu următoarele nume: Calitatea aerului, Presiune, Temperatura, Umiditate. Fiecărui tag îi corespunde o anumită valoare. Aplicația Android va căuta numele acestor tag-uri și va afișa valoarea corespunzătoare.

Figura 3. 25 Structură stocare date pe server

4.Lista figuri

1. Lohani, D. and D. Acharya. Smartvent: A context aware iot system to measure indoor air quality and ventilation rate. in Mobile Data Management (MDM), 2016 17th IEEE International Conference on. 2016. IEEE.

2. Patel, S., et al., Spatio-temporal measurement of indoor particulate matter concentrations using a wireless network of low-cost sensors in households using solid fuels. Environmental research, 2017. 152: p. 59-65.

3. Srivatsa, P. and A. Pandhare. Indoor Air Quality: IoT Solution. in National Conference “NCPCI. 2016.

4. Pitarma, R., G. Marques, and B.R. Ferreira, Monitoring indoor air quality for enhanced occupational health. Journal of medical systems, 2017. 41(2): p. 23.

5. Toftum, J., A.S. Jørgensen, and P.O. Fanger, Upper limits for indoor air humidity to avoid uncomfortably humid skin. Energy and Buildings, 1998. 28(1): p. 1-13.

6. Fang, L., et al., Impact of indoor air temperature and humidity in an office on perceived air quality, SBS symptoms and performance. Indoor air, 2004. 14(s7): p. 74-81.

7. He, J., et al., A high precise E-nose for daily indoor air quality monitoring in living environment. Integration, the VLSI Journal, 2017. 58: p. 286-294.

8. Abraham, S. and X. Li, A cost-effective wireless sensor network system for indoor air quality monitoring applications. Procedia Computer Science, 2014. 34(0): p. 165-171.

9. Kim, J.-Y., C.-H. Chu, and S.-M. Shin, ISSAQ: An integrated sensing systems for real-time indoor air quality monitoring. IEEE Sensors Journal, 2014. 14(12): p. 4230-4244.

10. Mukesh, D.M. and S.K. Akula, Automated Indoor Air Quality Monitor and Control. International Journal of Computer Applications, 2017. 159(6).

11. Folea, S.C. and G. Mois, A low-power wireless sensor for online ambient monitoring. IEEE Sensors Journal, 2015. 15(2): p. 742-749.

12. Hojaiji, H., et al. Temperature and humidity calibration of a low-cost wireless dust sensor for real-time monitoring. in Sensors Applications Symposium (SAS), 2017 IEEE. 2017. IEEE.

13. Yang, X., L. Yang, and J. Zhang. A WiFi-enabled indoor air quality monitoring and control system: The design and control experiments. in Control & Automation (ICCA), 2017 13th IEEE International Conference on. 2017. IEEE.

14. Goldsmith, A., Wireless Communications. 2005: Cambridge University Press.

15. Anderson, H.R., Fixed Broadband Wireless System Design: The Creation of Global Mobile Communications. 2003: John Wiley \\& Sons, Inc. 512.

16. DeRose, J.F., The Wireless Data Handbook. 1994: Quantum Publishing, Incorporated.

17. Instruments, T., Understanding the I2C Bus.

18. BME680 Low power gas, pressure, temperature & humidity sensor Datasheet.

19. nRF24L01 Single chip 2.4 GHz Transceiver Datasheet.

20. BMP280 Digital Pressure Sensor Datasheet.

21. ESP8266EX Datasheet.