Як ми створили AirC — пристрій для моніторингу якості повітря на дорогах в реальному часі

Сьогодні в студентів з’явилось більше можливостей для отримання практичних знань і роботи над реальними проєктами. Так, на базі університетів відкривають сучасні лабораторії, запускають навчальні програми й спільні курси з викладачами-практиками.

У цій статті ми — Антон Мірошніченко, Consultant GlobalLogic, та Вікторія Таранюк, Associate Manager and Consultant GlobalLogic — розповідаємо, як спільно зі студентами НАУ, КПІ, КНЕУ розробили AirC — opensource-прилад для вимірювання якості повітря. Тепер, після низки випробувань у заторах Києва, можемо з упевненістю підтвердити те, про що ви здогадувалися раніше — дихати в заторах небезпечно. Ми віримо, що стаття буде корисною для інженерів, які шукають нові вектори розвитку в ІТ, а також для молодих спеціалістів, які хочуть працювати над крутими соціальними проєктами.

Що там із заторами

Спочатку кілька фактів:

  • За підсумками 2020 року столиця України опинилася на сьомому місці за потужністю заторів у TomTom Traffic Index. На шостому і восьмому місцях — індійські міста Бангалор і Нью-Делі відповідно.
  • В Європі Київ третій за завантаженістю трафіку, поступається лише Москві та Стамбулу.
  • Щодня кияни та гості столиці втрачають близько пів години в заторах. Це майже десять днів щороку — час, який варто було б витратити на щось інше, наприклад, на відпочинок.

Вплив і наслідки поганої якості повітря були очевидні для нас і раніше, проте ми особливо не замислювались над тим, скільки шкідливих речовин людина вдихає за кілька годин у заторах щодня.

Тож спонукали нас на створення PоC саме затори. Зміни починаються з усвідомлення ситуації. А в нашому випадку з розуміння того, наскільки поганим іноді є повітря в місті. Ми командою розмірковували про важелі впливу на ситуацію й одностайно вирішили не мовчати. Треба розповідати про забруднення, показувати, наскільки незадовільна якість повітря в місті, і привертати увагу громадськості, щоб змінити ситуацію на краще.

Що там з якістю повітря

  • ВООЗ порахувала, що у 2016 році Україна посіла 15-те місце у світі й п’яте в Європі за рівнем смертності через забруднення повітря.
  • Згідно зі звітом World Air Quality Report за 2020 рік, Київ на 39-му місці за забрудненням повітря серед міст у світі (у 2019 році він був на 49-му).
  • У 2020 році, за даними управління екології та природних ресурсів КМДА, в повітря Києва було викинуто 47 тисяч тонн шкідливих речовин, 90% з яких генерує транспорт.

Держава вживає заходів щодо моніторингу якості повітря й мінімізації наслідків забруднення. У 2020 році Київ почав встановлювати системи моніторингу й заклав на це 40 млн гривень. Поки їх лише дві, а ще одна працює з радянських часів, але безнадійно застаріла — в плані швидкості вимірювань і вільного доступу до даних. А до кінця 2021 року адміністрація планує встановити референтні пости моніторингу й індикативні датчики там, де не потрібні серйозні вимірювання, і таким чином ухвалювати рішення щодо необхідності зменшувати кількість викидів на території підприємств.

Варто зазначити, що Міністерство екології та природних ресурсів України розробило й у 2021 році подало до Верховної Ради України законопроєкт «Про запобігання, зменшення та контроль забруднення, що виникає в результаті промислової діяльності». Цей проєкт передбачає впровадження директиви ЄС щодо контролю викидів речовин, що забруднюють атмосферу, скидів стічних вод з концентраціями шкідливих елементів й операцій у сфері поводження з відходами. Закон стосується і заходів моніторингу забруднення повітря з боку держави. Залишилось лише дочекатись його ухвалення.

Ключові орієнтири нашого проєкту

Київський відділ з навчання в межах програми GlobalLogic Education намагається частіше залучати студентів до роботи над реальними проєктами в рамках PoC. Ще на початку, розмірковуючи над цілями й концепцією AirC, ми вже знали, що робота над ним має навчити студентів:

  • сучасних методик програмування;
  • роботи в команді;
  • використання хмарної інфраструктури;
  • програмування embedded-пристроїв.

Отже, наш проєкт передусім — про інтеграцію в інфраструктуру розумного міста і про навчання.

Прилад AirC унікальний тим, що ми, мабуть, перші в Україні в секторі громадського моніторингу якості повітря почали експериментувати не лише зі стандартними показниками, як PM2.5, PM10 (мікрочастинки пилу в повітрі), температура, тиск, вологість, а й з вимірюванням концентрацій газів, які рекомендовано до моніторингу директивами ЄС, — CO, NO2, Oта SO2. Ми поставили за мету побудувати систему вимірювання «все в одному» й частково її досягли.

Про показники, які варто моніторити

Експерти ВООЗ та ООН доводять, що забруднене повітря має серйозні наслідки для здоров’я людей, особливо найменш захищених верств населення. Вони починають страждати від серцево-судинних та кардіо-респіраторних захворювань. Щороку фіксують понад 4 млн передчасних смертей, асоційованих із забрудненим повітрям.

Найнебезпечніші для здоров’я людини — частинки пилу PM розміром 10 мікрометрів або менше. Вони можуть проникати в легені, осідати в них, викликаючи хронічні хвороби й ускладнення. Основним джерелом РМ10 є викиди від спалювання копалин на підприємствах та інші виробничі процеси, а ще — лісові пожежі й вихлопи від транспорту.

Не меншу шкоду спричиняють оксиди азоту NO2 , NO та сірки SO2. Так, джерелами викиду діоксиду азоту є хімічна промисловість (у процесі згоряння, опалення й виробництва електроенергії), транспортні засоби та судна. У великих концентраціях ці елементи провокують, наприклад, запалення дихальних шляхів, підвищення чутливості до інфекційних захворювань, як бронхіт чи астма, подразнюють очі. В природі діоксиди азоту спричиняють надмірне розростання рослин у воді (евтрофікацію) й загибель тварин від нестачі кисню. Своєю чергою, діоксиди сірки навіть за низької концентрації, якщо не вражають організм людини, призводять до лісових пожеж, виверження вулканів, кислотних опадів, закислення ґрунтів та корозії будівель.

Приземний озон О— це вторинний забруднювач, що за статистикою ВООЗ обумовлює зростання додаткових випадків смертності на 5–9%. Його джерелом є леткі органічні сполуки, оксиди азоту, окис вуглецю. Він може викидатись і з конкретних джерел, але переважно утворюється внаслідок фотохімічних реакцій газів-попередників, наприклад, із сонячним світлом й іншими сполуками.

І наостанок побічний елемент викидів, про який часто чуємо найбільше — окис вуглецю CO. Він потрапляє в атмосферу завдяки згорянню бензину та спалюванню копалин, у тому числі газу. СО — «універсальний солдат» забруднення — викидається ТЕС, промисловістю, домашніми господарствами й транспортом. Небезпечний у великих концентраціях.

Про PoC AirC

Українські розробки приладів для громадського моніторингу якості повітря є. І це круто. Наприклад, в Україні станції вимірювання якості повітря виробляють і продають savednipro.org та eco-city.org.ua, а компанія ЛУН має власну систему відстеження деяких показників. Але ми все ж вирішили зробити щось схоже і в чомусь краще самостійно. Ми прагнули на власному досвіді перевірити цифри, спробувати зібрати нову команду й мотивувати її. А найголовніше — передати іншим свої знання і разом здобути новий досвід, адже передусім AirC — це навчальний проєкт.

Ідея була в тому, щоб зробити окремий реальний пристрій, який буде модульно інтегрований у віртуальну інфраструктуру SmartCity, яку ми в компанії розробили ще у 2018 році. Пристрій мав розширити можливості SmartCity та автоматично отримувати доступ до готової інфраструктури розумного міста без розробки власних каналів передачі даних і методів їхньої візуалізації. Назву для проєкту підбирали просту, щоб була пов’язана з повітрям і передавала, що вимірювання якості повітря — це ключ до розв’язання проблеми його забруднення. Тож назвали AirC, де C — видозмінене скорочення від key, ключа.

Ми поставили за мету створити програмно-апаратну модель взаємодії між під’єднаними до однієї мережі автомобілями наступного покоління й інфраструктурою міста. Платформа SmartCity дає змогу пристроями комунікувати одне з одним, збирає з них дані й обробляє їх у режимі реального часу — робить процесинг, регулює швидкість обміну повідомленнями в мережі, обробляє дані з embedded-пристроїв. Багато уваги ми приділили підтримці міжнародних стандартів MQTT і V2X для месенджингу й використали Google Cloud Platform для зберігання даних, постпроцесингу, зображення на мапі. Тому можемо швидко збирати та обробляти дані з прототипу AirC.

Датчики в AirC вимірюють якість повітря кожні 100 м і накопичують інформацію в середньому три хвилини. До таких цифр ми дійшли під час аналізу оптимального алгоритму збирання даних і тестування приладу. За допомогою opensource програмного забезпечення платформа знімає показники з GPS користувача, обробляє їх, зв’язується з «хмарою», формує базу даних і виводить на карту в реальному часі. Так на екрані смартфона або комп’ютера користувач бачить фінальні показники: координати, вологість, температуру, тиск, пил, СО2, СО, NO2. Можна поставити мітку з даними про якість повітря у своїй локації та налаштувати показники під себе.

Системою просто користуватися, її інтерфейс зрозумілий. Після відкриття програми користувач бачить карту і ключові показники якості повітря. Можна поставити мітку з даними, тобто зберегти їх в історії та налаштувати інтерфейс під себе — додати або прибрати деякі дані. Програму можна використовувати щодня, а встановлювати або докуповувати додаткове ПЗ й устаткування не потрібно.

Розробка AirC як процес навчання

Робота над проєктом розпочалась на початку 2020 року. Тоді до нас долучилось 40 студентів, які успішно пройшли вступне інтерв’ю. Перший етап передбачав мінімальне навчання групи й припав на початок пандемії COVID-19, тому весь проєкт ми пройшли online. Навіть «прошивка» і тестування єдиного прототипу AirC відбувалась віддалено.

Перші кілька місяців студенти, які мали достатній початковий рівень, проходили спеціальну навчальну експрес-програму за напрямами Embedded Linux, Networking, Git, С/С++ memory management, Linux IPC, Smartcity project architecture, Microcontrollers, Requirements for Software Engineering. Навчанням студентів займались спеціалісти GlobalLogic, які забажали взяти участь у проєкті.

Студенти працювали не над тривіальними задачами, які до них вже мільйон разів розв’язували, а отримали командний досвід розробки, пропонували нові рішення, шукали підходи до розв’язання технічних проблем. Університетська база стала у пригоді. Студенти могли поєднати навички з різних сфер, розкласти по поличках і закріпити на практиці.

Наприклад, схемотехніка була потрібна, щоб зрозуміти схеми під’єднання датчиків і модулів, програмування — для роботи з мікроконтролерами, Linux-пристроями та Firebase. Була й робота з мережею та платформами Git. У процесі учасники навчилися читати код і документацію, працювати з embedded-пристроями й тестувати їх, писали програмне забезпечення для самого приладу і для його інтеграції в інфраструктуру проєкту SmartCity.

До фінішу дійшли не всі, але наша команда менторів залишилась дуже задоволена результатом. Так, із сорока людей до практичної роботи над AirC долучилось лише п’ятнадцять, а на кінець проєкту залишилось шість студентів. І всі шестеро завдяки участі в AirC приєднались до команди GlobalLogic й продовжили розвиватись в напрямі embedded.

В кінці проєкту студенти ділились враженнями про роботу над першим великим проєктом, і багато із них казали, що тепер вільніше почуваються у сфері. Вони з самого початку розуміли, що цей проєкт — гарний шанс розпочати кар’єру в IT, а саме — в embedded. Учасники здобули досвід роботи в масштабній розробці й гарні рекомендації менторів.




Проведення вимірювань і сертифікація

Навіть для нас, досвідчених інженерів, проєкт став виходом в зону невизначеного — у межах нового досвіду менторства групи студентів і самого робочого процесу. Наприклад, газові сенсори ми обирали фактично навмання — із «залізом» американської фірми SPEC у нас раніше ніхто не працював. Ми ризикнули й обрали їх як оптимальний варіант ціна/якість. І ще дізналися, як замовити й отримати датчики прямо від виробника, навчилися працювати з митними брокерами. Наша AirC-команда створила оптимальний варіант програмного забезпечення для роботи з цими специфічними датчиками. Це було пізнавально.

Виявились і підводні камені. Нам не вдалось отримати від цих сенсорів ту якість, яку ми початково планували побачити. Це і є одна із проблем citizen science, або «громадянської науки», коли вчені-аматори роблять свій внесок в її розвиток. Тож навіть якісне вимірювання чогось неякісного — забрудненого повітря — коштує дорого.

По завершенні проєкту ми перевірили роботу готового приладу в ДП «Укрметртестстандарт» у Києві. Висновки: прилад працює і реагує на зміну концентрацій відповідних речовин, але у своєму діапазоні вимірювань. Ще до старту проєкту ми зрозуміли, що навряд чи отримаємо прилад з абсолютно точними показниками CO, NO2, SO2, O3. Для розробки якісного пристрою необхідно використовувати більш професійний підхід — робити окремий проєкт з плановим бюджетом. Крім того, вартість сертифікації приладу в Україні становить приблизно 300 тис. гривень, що виводить проєкт на абсолютно інший комерційний рівень.





До чого тут київські затори

У медіа колись була історія про людину, яка не впоралася з керуванням транспортним засобом та злетіла з дороги через вплив повітря і стрес у заторі. Водій видавався млявим і незосередженим. Після аналізів на наркотичні й алкогольні речовини виявилось, що він вчадів після довгої монотонної їзди за вантажівкою. Можливо, ця історія не на 100% правдива, але після двох годин тестування AirC в автомобілі з відчиненим вікном на Великій окружній дорозі в Києві самопочуття було не дуже добре.

Для репрезентативності тестування перед виїздом того ж дня ми виміряли показники приладу в Голосіївському парку, а потім поїхали через Окружну. Метою було отримати інтегральне значення забрудненості за дві години затору та порівняти з показником із парку. В результаті ми пересвідчились, що середні показники на дорозі перевищують дані з парку у декілька разів. Для порівняння: показники пилу PM2.5 на дорозі сягали 18 мг/м3, у той час, як в парку було нараховано лише 2,5 мг/м3.

AirC на дорозі

Візуальна репрезентація даних від AirC

Майбутнє AirC

Необхідність адаптуватися до зміни клімату і бажання жити в чистому середовищі мотивує громадян і вчених на інновації. Вимірювання якості повітря і публікація отриманих даних у реальному часі онлайн — один з таких інноваційних трендів. Схожі на AirC прилади вже не один рік працюють і передають дані із доріг і міст Західної Європи на такі портали, як iqair.com. В Україні цей тренд теж є, і ми сподіваємось, що AirC зробив свій внесок в його подальший розвиток.

Кодова база нашого проєкту разом з усією документацією наразі розміщена у вільному доступі на GitHub, що є нашим внеском в open source та citizen science. Ми віримо в те, що всі учасники проєкту отримали від нього користь і тепер зможуть застосувати знання на практиці під час роботи над схожими проєктами. Прототип AirC, створене програмне забезпечення та здобутий командою менторів досвід будуть використані надалі в інших PoC компанії.

Довідково: технічні характеристики AirC

  • SPEC digital sensors: CO, NO2, SO2, O3
  • Dust sensor PM2.5 and PM10 (NOVA SDS011)
  • CCS811 Air Quality Sensor
  • Complex HCHO sensor — CH3, C6H6, H2CO (DFRobot Gravity HCHO Sensor)
  • Weather module BME280
  • GlobalLogic Starter Kit, based on STM32F104 DISCOVERY, FreeRTOS
  • OrangePi Zero with Armbian Linux

Джерела

  1. «9 днів у заторах: дороги Києва перевантажені у кілька разів».
  2. «Від 5 до 8 днів: скільки часу проводять у заторах водії в різних містах світу».
  3. «Затори та пожежі. Експерт розповів, що у Києві найбільше забруднює повітря».
  4. 2020 World Air Quality Report reveals substantial air quality changes.
  5. Manual on the Basic Set of Environment Statistics of the FDES 2013 «Air Quality»
  6. Citizen science: Air quality monitoring.
  7. Citizen science projects on air quality produce useful information and raise public awareness.
  8. Відповіді на гострі питання про громадський моніторинг.
  9. Manual on urban air quality management.
  10. «Основні забруднювачі атмосферного повітря : характеристики, вплив на організм людини».

Demo of the GL students R&D project «AirC».

👍НравитсяПонравилось8
В избранноеВ избранном1
LinkedIn
Допустимые теги: blockquote, a, pre, code, ul, ol, li, b, i, del.
Ctrl + Enter
Допустимые теги: blockquote, a, pre, code, ul, ol, li, b, i, del.
Ctrl + Enter

Його можна буде придбати? Яка ціна планується?

Гарна та цікава стаття! Дякую. Пишіть ще!
Особливо тішить, шо стаття написана державною мовою.

Дякую, Андрій, ми ще не «броньовані» і не «прохавані» нам підтримка дуже цінна

Эх, какая боль.. ) Целую нафаршированную ESP заюзали как тупой модем для AT команд, а чтобы по MQTT слать инфу с пары датчиков — 4 ядерный 1,3ггц OrangePI с линуксом и, небось, 1гб :)
Тут простейших полуфабрикатов ESP12E + SIM800L за глаза, чтобы раз в 5 минут просыпаться, собрать инфу с датчиков и отправить в облако.
Вместо быстрой разработки единичного демо проекта на скриптовом языке, на том же жабоскрипте, код написан на С, сэкономили на спичках, но как целый горячий одноплатник заюзать так ноупроблемо, но, так понимаю, это специально для обучения на взрослых решениях.
Тематика конечно стоящая- в Украине явно не хватает сети простейших датчиков для грубого мониторинга продуктов горения в воздухе, и чтобы это мониторилось службами, а то в пригородах и частных секторах куча любителей сжигать мусор и листву ночами, чтобы не штрафонули, а потом это все на километры тянется, да на верхние этажи.

Розумію :) в нас була мета навчальна. Для массового виробництва не оптимально, а для навчання краще, бо використано більше технологій та архітектур

Нема переліку компонентів, щоб самому зібрати — тупо набір лінків на амазон чи алі (або я не побачив)

Також не зрозуміло чи воно запрацює без жпс

прилад працює і реагує на зміну концентрацій відповідних речовин, але у своєму діапазоні вимірювань

То який він той діапазон? Ніхто ж не полізе даташіти шукати

Для розробки якісного пристрою необхідно використовувати більш професійний підхід

Ага
Люди вже почали досягати мікронної точності в «домашніх умовах»

Краще формулювання замінити на — «Ми хотіли привернути увагу до проблеми і показати, що вимірювання можна зробити за $x і отримати пристойний результат навіть без досвіду в метрології»

Дякую за проведену роботу

Ви вірно зрозуміли . Ми дали студентам познайомитись з широким спектром сучасних технологій , хотіли привернути увагу до того , що навіть якщо в затишних районах повітря більш менш , то на дорогах все дуже непросто. І так, служби працюють, навіть з мінімальним досвідом можна робити проекти та досліджувати проблеми, Укрметрстандарт зустрів наших студентів дуже тепло.

Все ж викладіть назви компонентів для лінивих і зацікавлених

Див.

технічні характеристики AirC

 вище. Єдине що там не вказали це ESP-01
Вся документація на github github.com/...​004a55fb9f4a394d3a54/docs
Які саме компоненти вас цікавлять?

А чем там занят ESP? Что то не ненайду общую функциональную схему, а на псб с сенсорами непонятно куда там GPIO его идут. Он что собирает данные с сенсоров через аналоговый коммутатор и шлет на одноплатник через wifi? А то как бы на одноплатнике и так есть вафля.
P.S. Модуль для AMS на гребенке (собственно как и CD74HC4067) с четом того, что плату всеровно разводить... ну блин :)

github.com/...​94d3a54/pcb/Schematic.pdf
Діскавері не має WiFi модулю, отже ESP-01 ми використовували як зовнішній WiFi для пересилання даних і конфігурації системи.

Цікавий проект, великий плюс за відкритість!

Так сертифікацію не пройшли, лише повірку? І який тип калібровок застосували після тестів?

Можете також додати, будь ласка, до статті документ із результатами тестування в ДП Укрметртестстандарт? Не знайшов на GitHub.

Дякую. А по PM’ах вимірювання не проводилися? Чи у Укрметртестстандарту немає обладнання для цього?

Так, у них немає для цього обладнання. Крім того лазерний сенсор для вимірювання часток пилу NOVA SDS011 відкалібрований виробником.

Молодцы ребята! Мы хотели увидеть динамику на дороге. Сейчас много великолепных проектов на конкретной позиции

Згідно зі звітом World Air Quality Report за 2020 рік, Київ на 39-му місці за забрудненням повітря серед міст у світі (у 2019 році він був на 49-му).

А по ссылке imgur.com/a/g9yxgoy
И навскидку Киев много чище того же Запорожья, например.

Там за посиланням можна PDF завантажити, сторінка 12 «Arranged by annual average PM2.5 concentration». Ймовірно за 2020 рік не було інформації про забруднання повітря в Запоріжжі, бо його немає в цьому звіті.

Так а в чем смысл отчета, если нет данных? Мы взяли N рандомных городов, среди них Киев на 39 месте. OK.

Согласна, я тоже была приятно удивлена, что в парках все более менее хорошо. Меня расстроили пятикратные цифры в пробках

TLDR Похибку вимірювання у статті так і не називають, чергова ардуінка з датчиками.

Доброго дня. Це не секрет, ми так і написали, що в першу чергу AirC — навчальний проект, тому саме в цьому проекті похибка не є задовільною. Для того, щоб похибка була в межах норми треба робити інший проект з іншим бюджетом і ставити собі це за мету. Щодо Arduino в мене особисто зверхнє ставлення відсутнє. Всьому свій час і є своє місце.

AirC — навчальний проект,

Ну так і я про це кажу.

Щодо Arduino

Класна штука — ніяких заперечень.

щоб похибка була в межах норми

потрібно спочатку визначити похибку,а потім встановити уже свою «норму»

Алекс, не вижу вопрос :))) только вброс

А чого має бути якесь питання? У чому вкид? Похибка вимірювання у тексті не вказана — я про це і написав. Цей проект не є вимірювальним засобом — тож він принципово нічим не відрізняється від ардуінки з датчиками, в плані метрології.

Від якої саме Ардуїнки? З якими датчиками? — тут Олександре одразу до вас купа питань, але я сподіваюсь, що ми не будемо цю тему розвивати, щоб не знецінювати. Просто, щоб ви розуміли — цей проект «dear to my heart». Тому прохання відноситись з розумінням.

Подписаться на комментарии