Συστήματα μέτρησης και παρακολούθησης περιβαλλοντικών ρύπων με τη χρήση τεχνολογίας διαδικτύου των πραγμάτων

Abstract

Ο στόχος αυτής της διατριβής είναι η αξιολόγηση των αισθητήρων ποιότητας αέρα χαμηλού κόστους και η δυνατότητα εφαρμογής και αξιοποίησής τους σε μετρητικά συστήματα IoT για την ανάπτυξη δικτύου παρακολούθησης ποιότητας αέρα, μεγάλης χωρικής κάλυψης. Η ποιότητα του αέρα, ιδιαίτερα στις μεγάλες πόλεις, επηρεάζει άμεσα τόσο την υγεία όσο και τον τρόπο ζωής των πολιτών. Κυβερνητικοί φορείς και ερευνητικά κέντρα μελετούν και παρακολουθούν την ποιότητα του αέρα, με εξοπλισμό πολύ υψηλού κόστους πράγμα που έχει ως αποτέλεσμα έναν μικρό αριθμό εγκατεστημένων συστημάτων παρακολούθησης ποιότητας αέρα αναδεικνύοντας το πρόβλημα της χωρικής κάλυψης σε μεγάλες περιοχές. Τα τελευταία χρόνια η εξέλιξη της τεχνολογίας είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη αισθητήρων ποιότητας αέρα χαμηλού κόστους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής, αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να εξάγουν αξιόπιστα δεδομένα μετά από την εφαρμογή συγκεκριμένων μεθόδων διόρθωσης και βελτιστοποίησης των μετρήσεων. Κατ’ επέκταση οι αισθητήρες ποιότητας αέρα χαμηλού κόστους μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διατάξεις IoT, για την ανάπτυξη πυκνού δικτύου. Για τον σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν σταθμοί παρακολούθησης ποιότητας αέρα χαμηλού κόστους, οι οποίοι περιλαμβάνουν μονάδα μικροεπεξεργαστή, αισθητήρες αερίων ρύπων, διοξειδίου του αζώτου και όζοντος, αισθητήρα μικροσωματιδίων και βαρομετρικό αισθητήρα, ενώ η διασύνδεση με το διαδίκτυο γίνεται μέσω ασυρμάτου δικτύου ή δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Τα δεδομένα των μετρήσεων αποστέλλονται από κάθε σταθμό και αποθηκεύονται σε μια βάση δεδομένων, ενώ για την οπτικοποίηση των μετρήσεων έχει αναπτυχθεί ένας εξυπηρετητής εφαρμογής οπτικοποίησης δεδομένων. Η βαθμονόμηση των σταθμών παρακολούθησης ποιότητας αέρα χαμηλού κόστους έγινε με την μέθοδο συντοποθέτησης τους δίπλα σε επίσημα όργανα μετρήσεων, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως αναφοράς, στις εγκαταστάσεις του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών. Αρχικά μελετήθηκε η συμπεριφορά των αισθητήρων χαμηλού κόστους, ανά κατηγορία αισθητήρα, πράγμα το οποίο έδειξε ομογένεια ως προς τις μετρήσεις με πολύ υψηλό συντελεστή συσχέτισης. Στη συνέχεια κατά τη διαδικασία βαθμονόμησης των μετρήσεων σε σχέση με τις μετρήσεις αναφοράς, κρίθηκε απαραίτητη η δημιουργία συνάρτησης βαθμονόμησης με χρήση δυο διορθωτικών συντελεστών. Η συνάρτηση βαθμονόμησης επιβεβαιώθηκε καθώς η εφαρμογή της σε όλους τους αισθητήρες αερίων ρύπων, διοξειδίου του αζώτου και όζοντος, παρουσίασε εξαιρετικά αποτελέσματα βελτίωσης μετρήσεων, έως και 25%. Συνάρτηση βαθμονόμησης εφαρμόστηκε και στους αισθητήρες μικροσωματιδίων, στην οποία συμβάλουν τόσο η θερμοκρασία όσο και η υγρασία περιβάλλοντος ως διορθωτικοί συντελεστές. Κατά τη διαδικασία βαθμονόμησης αποκαλύφθηκε ότι και η βαρομετρική πίεση του περιβάλλοντος ως συντελεστής διόρθωσης συμβάλει στη διόρθωση των μετρήσεων. Καθώς οι αισθητήρες αερίων ρύπων έχουν διάρκεια ζωής μέχρι δυο έτη αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε και η διερεύνηση της συμπεριφοράς τους κατά το χρόνο λειτουργίας τους. Η έρευνα αυτή έδειξε ότι οι μετρήσεις επηρεάζονται κατά τη γήρανση των αισθητήρων, και η διόρθωσή τους είναι θεραπεύσιμη, με την μεταβολή των συντελεστών μέσω μιας εξίσωσης που τροποποιεί τους συντελεστές βαθμονόμησης κατά τον χρόνο λειτουργίας του αισθητήρα. Για την βελτιστοποίηση των μετρήσεων, μοντέλα απλής γραμμικής παλινδρόμησης και πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης εφαρμόστηκαν τόσο στις μετρήσεις αισθητήρων αερίων ρύπων όσο και στις μετρήσεις αισθητήρων μικροσωματιδίων, χαμηλού κόστους, με συντελεστές που εξαρτώνται από τις βαρομετρικές συνθήκες (θερμοκρασία, υγρασία, βαρομετρική πίεση). Τα αποτελέσματα ανέδειξαν την σημαντικότητα των βαρομετρικών συνθηκών ως προς τη διόρθωση των μετρήσεων. Μοντέλα φίλτρων πεπερασμένης κρουστικής απόκριση (F.I.R) και Kalman, εφαρμόστηκαν ως εκτιμητές, στις μετρήσεις. Τα αποτελέσματα ήταν εξαιρετικά καθώς εμφάνισαν βελτίωση των μετρήσεων για το φίλτρο F.I.R ως και 25%, ενώ για το φίλτρο Kalman εώς και 40%. Επιπρόσθετα διερευνήθηκε ο προσδιορισμός των ορίων ασφαλούς μεταβολής για τη βελτιστοποίηση των μετρήσεων σε χαμηλού κόστους ηλεκτροχημικούς αισθητήρες ποιότητας αέρα, με την εφαρμογή τόσο του μέσου όρου όσο και του διάμεσου της διακύμανσης μεταξύ των μετρήσεων από αισθητήρες χαμηλού κόστους και των μετρήσεων αναφοράς. Τα αποτελέσματα αυτής της μεθόδου εμφάνισαν βελτίωση των μετρήσεων σε ικανοποιητικό βαθμό. Τέλος, η εφαρμογή της μεθόδου μη γραμμικής παλινδρόμησης έγινε στα δεδομένα από αισθητήρες χαμηλού κόστους και αναφοράς. Η μέθοδος αυτή ανέδειξε μια πολυωνυμική συνάρτηση η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την βελτιστοποίηση των μετρήσεων από αισθητήρες χαμηλού κόστους.