Stacja jakości powietrza, pomiar PM10 , PM2,5. Projekt i wykonanie krok po kroku - dla każdego!

Zanieczyszczenie powietrza - SMOG.

To zagadnienie omówię w tym artykule: Jakość powietrza, metody na szkodliwe pyły, a także sposoby pomiaru stężenia pyłów poprzez projekt stacji kontroli powietrza. Zacznijmy od samego sprawcy całego zamieszania i problemów. Mowa o cząsteczkach pyłu zawieszonego w powietrzu o średnicy sięgającej od 0,1µm (mikrometr: 1µm = 0,001 mm) do 10µm. Aby wyobrazić sobie te rozmiary, porównano średnicę włosa z cząsteczkami PM 10, PM2,5, PM0,1.

Obraz idealnie ukazuje nam, o czym mowa. Więc co takiego niebezpiecznego kryje się w tych maluteńkich ziarenkach? Otóż wyjaśniam: cząsteczki te są pochodzenia organicznego i nieorganicznego, które są toksycznymi związkami metali ciężkich, węglowodorami, furany i inne dioksyny! Cząsteczki o takich średnicach z łatwością dostają się do naszego organizmu poprzez drogi oddechowe, czy też razem z pokarmem. Następnie przedostają się do krwiobiegu i przez akumulację mogą doprowadzić do poważnych chorób! Począwszy od wywołania alergii przez choroby układu krążenia i układu oddechowego do raka! Jednak nie wszystkie cząsteczki są jednakowo groźne.

Cząsteczki większe od PM10 są filtrowane przez górne drogi oddechowe, gdzie są zatrzymywane i wydalane. Cząsteczki PM10  akumulują się tylko w górnych drogach oddechowych, przez co stają się przyczyną złego samopoczucia, a także mogą pogorszyć stan zdrowia osób: starszych, dzieci i cierpiących na schorzenia górnych dróg oddechowych, czy alergię. Jednak najbardziej niebezpieczne są cząsteczki PM 2,5, których rozmiary pozwalają na przedostanie się do płuc a z nich do krwi przez pęcherzyki płucne! Cząsteczki te są we wszechobecnym smogu, który przypomnijmy zabija, jak podają niektóre źródła od 40 nawet do 44 000 polaków rocznie!!! 
Poziom dopuszczalny dla stężenia cząsteczek PM 10 średniodobowego wynosi 50 µg/m3 i może być przekraczany nie więcej niż 35 dni w ciągu roku. Poziom dopuszczalny dla stężenia średniorocznego wynosi 40 µg/m3, a poziom alarmowy 200 µg/m3. Docelowa wartość średnioroczna dla pyłu PM2,5 wynosi 25 µg/m3. Dowiedzieliśmy się, czym są te cząsteczki i jakie konsekwencje niosą za sobą, gdy dostaną się do naszego organizmu. Lecz teraz pojawia się problem, ponieważ nie jesteśmy w stanie stwierdzić jaki poziom cząsteczek utrzymuje się w naszej okolicy, czy też w domu w danym momencie.
Otóż są specjalne czujniki, które dokonują pomiaru tychże mikroskopijnych cząsteczek. W naszym sklepie są dostępne czujniki, które mierzą stężenie cząsteczek PM10 i PM2,5. Jednak są to same czujniki, a do ich obsługi potrzebny jest mikrokontroler. Jednak proszę się nie obawiać to nic skomplikowanego i właśnie dlatego powstał ten artykuł, aby każdy mógł sobie zrobić taką mini stację kontroli powietrza, ponieważ ten groźny zabójca jest również w Twoim domu!!! Na początek, zacznijmy od samych czujników, a są dostępne trzy:


1. Analogowy: 
2. Cyfrowe: 
a) DSM501A

b)  SDS011
Jednak czym one się różnią? Odpowiedź jest prosta. Pierwszy czujnik analogowy wysyła sygnał napięciowy, w zależności od stopnia zapylenia jak przedstawia wykres:
Drugi zaś wysyła sygnał prostokątny PWM, (współczynnik wypełnienia), a jego częstotliwość i długość trwania sygnału niskiego jak i sygnału wysokiego zależą od stopnia zapylenia, co można zaobserwować na zdjęciu poniżej.

Trzeci czujnik posiada elektronikę, dzięki której wysyła bity danych na magistralę UART RS232 za pośrednictwem linii TX i odbiera dane RX, dzięki czemu można go podłączyć do mikrokontrolera lub dysponując odpowiednim oprogramowaniem do komputera. Przy podłączeniu pod mikrokontroler np. Arduino Uno będzie nam potrzebna ta biblioteka, po zainstalowaniu otwieramy przykład SoftSerial i podpinamy piny z czujnika do Arduino w tej kolejności: GND - GND, 5–5 V, TXD (czujnika) - 10 (Arduino), RXD (czujnika) - 11 (Arduino). Po podłączeniu i wgraniu przykładu otwieramy monitor portu szeregowego, w którym to zostaną nam wyświetlane wyniki pomiarów. Gotowy program ze zdjęcia wraz z LCD 2 × 16 do pobrania tutaj.

Czujnik ten jeżeli się ma adapter OTG, można również podłączyć pod telefon!


Skoro już wiemy, na jakiej zasadzie działają poszczególne czujniki, to teraz omówimy platformę, która będzie zbierała te informacje i przetwarzała na coś wygodniejszego, czyli cyfry. Jest to platforma Arduino, na której temat internet poświęca sporo miejsca. Tak pokrótce jest to mikrokontroler atMega 328P (UNO, NANO, PRO MINI), który przylutowany jest do płytki, z której w wygodny sposób wyprowadzamy przewody, zworki, podłączamy czujniki itd. (więcej o Arduino już niebawem na naszym blogu). Konieczną wiedzą jest również to, że do atMegi wgrywamy program poprzez port USB. Wgrany program obsługuje czujnik i inne podłączone elementy pod jego wyprowadzenia. Wracając, w projekcie do Arduino podłączymy oczywiście nasz czujnik poziomu zanieczyszczeń powietrza, lecz taka konfiguracja pozwoli nam tylko na odczytanie wyników tylko poprzez port USB, czyli przez komputer, podczas gdy z pewnością chcielibyśmy odczytywać te informacji w wygodniejszy sposób. Dlatego potrzebny będzie np. wyświetlacz LCD, na którym będzie można odczytać te informacje. Ogólnie ten projekt można wykonać w wielu wariantach w zależności od indywidualnych potrzeb. Tutaj opiszę rozwiązanie, aby każdy sobie poradził z wykonaniem, dlatego będzie to najprostsze rozwiązanie i jednocześnie najszybsze. W czasie opisywania prac będę pisał swoje sugestie, jak można by daną czynność wykonać w inny sposób.

Najpierw lista narzędzi potrzebnych i koniecznych do budowy:

- Lutownica
- Narzędzia  podstawowe

Lista elementów i części:
- Arduino - polecam UNO, ponieważ posiada wygodne gniazdo DC do zasilania całości
- Czujnik pyłu analogowy, bądź z wyjściem PWM (Podpowiedź: czujnik ze współczynnikiem wypełnienia jest mniej "bezproblemowy" od analogowego), do czujnika ostatniego będziemy potrzebować tylko biblioteki.
- Płytka stykowa, bądź prototypowa w zależności od tego, jaki to ma być projekt. Ostatni czujnik, a jednocześnie najdroższy można podłączyć bezpośrednio pod komputer, dysponując odpowiednim oprogramowaniem.
- Przewody, lub zworki: męsko-męskie, męsko-żeńskie i inne

  Do pierwszego czujnika analogowego dostępny program jak i schemat podłączenia znajduje się TUTAJ a do drugiego program i biblioteka! Co należy więc zrobić, lub w co się uzbroić chcąc wykonać taką stację? Otóż jeżeli chcemy sprawdzić, czy wszystko będzie grało i sprosta naszym oczekiwaniom, to na początek polecam połączyć  układ na płytce stykowej. Jeżeli wszystko będzie w jak najlepszym porządku to całość można przerzucić na płytkę prototypową lutowniczą i połączyć wszystko pewnym lutem. Na przedstawionym schemacie widnieją wszystkie połączenia czujnika, wyświetlacza  i innych. Należy każde połączenie przeanalizować, aby nie popełnić kosztownego błędu.
Skoro wykonamy już wszystko zgodnie ze sztuką, to będziemy mogli obserwować owoce naszej pracy, co przedstawię na poniższych zdjęciach: Jak widać na serwisie normę mamy przekroczoną.

Na zewnątrz sprawa się ma nawet dobrze

Pobór prądu konsumowany przez czujniki:

Również dokładność czujników jest dobra:

To tyle z mojej strony, dzięki za uwagę i do następnego!