Study and implementation of air quality and noise pollution monitoring system in urban areas using LoRaWAN technology

Abstract

Η εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας έγινε υπό την επίβλεψη και την καθοδήγηση του Επίκουρου Καθηγητή κ. Δημητρίου Σκούτα, στα πλαίσια απόκτησης του προπτυχιακού διπλώματος Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων του Πανεπιστημίου Αιγαίου κατά το ακαδημαϊκό έτος 2021-2022. Στόχος της εργασίας είναι η μελέτη και υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου συστήματος παρακολούθησης της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα και της ηχορύπανσης σε αστικό περιβάλλον με χρήση του μικροελεγκτή ESP32 και της τεχνολογίας LoRa και LoRaWAN. Η συσκευή καταγραφής περιλαμβάνει τον μικροελεγκτή ESP32, έναν αισθητήρα ήχου για την καταγραφή της έντασης του ήχου, έναν πολύ-αισθητήρα θερμοκρασίας/υγρασίας/ατμοσφ. πίεσης/eCO2/TVOC για την καταγραφή της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα και άλλων παραμέτρων του, έναν αισθητήρα μέτρησης αιωρούμενων σωματιδίων PM2.5/PM10/PM1, μία οθόνη OLED και ένα LoRa RF chip για την μετάδοση των δεδομένων. Η καταγραφή και αποστολή των τιμών γίνεται ανά τακτά χρονικά διαστήματα στην διάρκεια μιας ημέρας. Η συσκευή στέλνει τα δεδομένα σε ένα LoRaWAN gateway το οποίο με τη σειρά του στέλνει τα δεδομένα προς επεξεργασία στην εθελοντική πλατφόρμα ”The Things Network”. Ο τελικός προορισμός των μετρήσεων είναι η πλατφόρμα ThingSpeak όπου τα δεδομένα προβάλλονται δημόσια και επεξεργάζονται με χρήση του εργαλείου MATLAB. Το ερευνητικό έργο αυτό υλοποιήθηκε κατόπιν μελέτης αντίστοιχων λύσεων καταγραφής των ιδίων παραμέτρων ώστε να παραχθεί ένα προϊόν όπου θα βοηθήσει στην μελέτη και βελτίωση της διαβίωσης σε αστικό περιβάλλον, αφού έχει παρατηρηθεί και συσχετισθεί η ηχορύπανση και η ποιότητα του ατμοσφαιρικού αέρα με χρόνια προβλήματα υγείας των κατοίκων του περιβάλλοντος αυτού.

The preparation of this thesis has been under the supervision of Assistant Professor Mr. Dimitrios Skoutas in fulfilment of the requirements for the degree of Engineer of Information and Communication Systems Engineering in the University of the Aegean, of the Department of Information and Communication Systems Engineering (ICSD). Aim of this thesis is to study and implement a monitoring system of the air quality and sound pollution in urban environment with the use of ESP32 microcontroller and the technology of LoRa and LoRaWAN. The sensor node essentially consists of the ESP32 microcontroller, a sound sensor (microphone) to measure the sound level, a multi-sensor of temperature/humidity/pressure/eCO2/TVOC for measuring the air quality and other environmental parameters, an OLED screen for readings output, a particulate matter (PM2.5, PM10, PM1) sensor and a LoRa RF transceiver for sensor readings transmission. Multiple times per day, the sensors gather the values, and the node sends them to the LoRaWAN gateway, which in turn sends them to the “The Thins Network” platform. The destination of the readings is the ThingSpeak integration where they are plotted in public charts and further analyzed with MATALAB. This thesis has been written after researching other implementations and solutions for monitoring the parameters of air quality and sound pollution which have been documented to associate with chronic health issues of urban environment citizens.