Шлях

AirMQ. Определяем качество воздуха за своим окном

Проект AirMQ не только расскажет о качестве воздуха в вашем дворе, но и подскажет, как самому сделать датчик для измерения.

Загрязнение воздуха, вызванное сжиганием ископаемого топлива (угля или нефти), называют «невидимым убийцей». Исследования показали, что в 2018 году каждая пятая смерть на планете была вызвана этим фактором. Причем речь идет не только о странах Азии – Китае или Индии, где городской смог стал полулегендарным явлением.

В той же Европе около 10% смертей обусловлено загрязнением воздуха. Причем один из самых неблагоприятных в этом плане регионов находится у нас под боком. Польша продолжает «коптить», особенно активно в зимнее время. Из 100 европейских городов с наиболее высоким уровнем загрязнения воздуха 29 находятся тут.

Как показывают последние исследования, в Беларуси качество воздуха неплохое. Однако существуют локальные точки, где уровень загрязнения превышает требования ВОЗ. Проект AirMQ позволяет узнать, какое качество воздуха в вашем районе и соответствует ли оно стандартам.   

 

Все началось в Осмоловке

Как рассказывает автор проекта Иван Бецун, идея заняться гражданским мониторингом качества воздуха появилась несколько лет назад. Тогда вместе с Михаилом Дорошевичем, урбанистом, медианалитиком и организатором инициативы Minsk Smart City, возникло желание провести исследование в отдельно взятом районе Минска. А именно в Осмоловке, которая, с одной стороны, выходит на «загруженную» улицу Богдановича, а с другой — считается одним из самых тихих и «зеленых» мест в центре города.

Вместе с местными жителями активисты проекта собрали и расставили датчики по району. Три месяца сбора данных показали, что средние значения отличаются где-то в полтора раза. Воздух внутри квартала оказался намного чище, чем на больших транспортных улицах Богдановича и Куйбышева. Получается, что, вроде, люди живут в одном месте, но дышат разным воздухом. Также исследование позволило определить основные источники пылевого загрязнения, как оно меняется в течение суток (были обнаружены четкие пики в моменты максимальной «загрузки» улиц транспортом). Опыт оказался интересным, привлек внимание других горожан.

Технический вдохновитель проекта Иван Бецун

 

Общеевропейская сеть мониторинга качества воздуха

Когда эксперимент, начатый в Осмоловке, вышел на новый этап и пришло время задуматься о масштабировании проекта, авторы решили изучить мировой опыт сетей общественного мониторинга с целью выяснить лучшие практики. Было решено начать разработку собственной сенсорной платформы и целого спектра аппаратных устройств, а также присоединиться к европейской децентрализованной общественной сети Luftdaten.info, ныне известной также как Sensor Community. Этот проект стартовал в Штутгарте, затем к нему присоединились энтузиасты со всей Германии, а затем и из остальных частей Европы, а также из-за ее пределов.

Сегодня за качеством воздуха можно наблюдать в онлайн-режиме. Карта объединяет более 14 тысяч активных датчиков по всему миру, в том числе и в Беларуси. Встроено в нее также направление ветра, что позволяет упростить анализ.  Так, когда в Польше опять начнут активно топить углем, можно будет наглядно увидеть повышение уровня содержания тяжелых частиц в воздухе в ближайших регионах. Отмечу, что в бета-версии на сайте тестируется карта датчиков шумового загрязнения. Есть инициатива по гражданскому мониторингу радиационного фона.

Проект AirMQ сегодня активно сотрудничает с сообществом Sensor Сommunity. Данные с датчиков, расположенных в Беларуси, попадают на общую карту. Также поддерживается работа местных активистов и инициатив. На сайте AirMQ можно найти информацию о том, как собрать датчик из отдельных компонентов, как его настроить, установить, защитить от жестких метеоусловий, как подключить к системе сбора данных и многое другое. Также участники проекта поддерживают инициативу собирать данные не только о качестве воздуха, но и проводить независимый мониторинг радиационного фона. Есть у AirMQ и свое собственное приложение для Android, о котором поговорим в этой статье чуть позже.

 

Что отличает AirMQ / Sensor Community от аналогичных коммерческих приложений?

Тема качества воздуха сегодня актуальна, и люди стараются следить за тем, чем мы дышим. По этой причине достаточно много приложений предлагают различные индексы и данные, обработанные так, чтобы пользователи получали конкретные рекомендации. Например, не открывать окно, надевать респиратор, по возможности оставаться дома.

Как отмечает Иван Бецун, почти все коммерческие приложения используют либо спутниковые данные, либо данные, получаемые через открытые API сервисов погоды. Так, например, прогнозы для четырех указанных в Минске точек, которые представлены в популярном IQ Air, основаны на данных со спутниковой системы Copernicus, координируемой Европейским Агентством Окружающей Среды (ЕЕА). Иногда популярные приложения «копируют» информацию из открытых сообществ, таких как Sensor Community. Однако в таком случае данные поступают с опозданием и обычно в усеченном варианте. Поэтому если вы хотите быть в курсе актуальной и объективной информации о качестве воздуха, то локальные источники для вас должны стать наиболее удобным инструментом.

Для детального мониторинга большинство коммерческих приложений не подходит. Качество воздуха может сильно варьироваться в зависимости от района, а представленные в программах «точки» не обязательно будут соответствовать действительному расположению датчиков. Например, в уже упомянутом IQ Air локация «Медвежино» транслирует данные не в реальном времени и с большой пространственной погрешностью. Кроме того, спутниковое зондирование оценивает все слои атмосферы, а для оценки качества интересен именно тот воздух, которым дышат пешеходы. То есть данные с высоты 1-4 метра от земли. Да и если вдуматься — как можно использовать измерения, которые берутся в городском лесопарке? Конечно, в Медвежино воздух будет в разы чище, чем на загруженном «втором кольце».

Датчик, разработанный командой AirMQ, не крупнее чашки кофе

 

Компактные автономные устройства особо оценили велосипедисты

Когда проект решили развивать, возникла необходимость разработать свои измерительные устройства. Иван Бецун рассказывает, что за основу взяли самую популярную среди энтузиастов электроники схему на базе микроконтроллера с интерфейсом WiFi. Пилотные модели опробовали, выявили недостатки и уже опытным путем их устранили.

Целью было сделать датчик компактным, избавиться от лишних проводных соединений, сделать его энергетически автономным. Например, заряжаемым от солнечных батарей и переносных аккумуляторов. Кстати, идею автономного датчика определения качества воздуха активно поддержали велосипедисты, которые могли теперь брать его в поездки-прогулки.

Затем родилась идея сотрудничества с экологическими организациями и к проекту подключилось старейшее экологическое сообщество – ОО «Экодом». Так постепенно проект масштабировался, подключенные к AirMQ датчики начали устанавливать не только в Минске, но и в других городах Беларуси. Параллельно велась работа по популяризации инициативы — организовывались семинары, публиковались статьи в СМИ. Это позволило привлечь к вопросам качества воздуха внимание большей аудитории.

Как отмечает Иван Бецун, проект развивался естественно. Хотя изначально планировалось сконцентрироваться на нескольких городах, чтобы проводить более качественный мониторинг, заявки на участие стали приходить из всех городов страны, и к концу 2020 года по всей Беларуси было установлено более ста датчиков. Сегодня количество подключенных устройств уже превышает 200, более 2000 человек зарегистрировалось и использует приложение AirMQ, где собираются данные о качестве воздуха из 56 городов.

 

Датчиков мало не бывает

Изначально у авторов проекта был план сконцентрироваться на нескольких городах. Методика измерения предполагает высокую концентрацию устройств в определенном районе. Связано это с тем, что показания могут сильно отличаться.

Например, мы можем увидеть яркие «красные пятна» где-то в сельской местности, свидетельствующие о загрязнении воздуха, но обусловлены они будут тем, что в этом районе топят дома дровами. Каждый датчик измеряет текущее состояние воздуха и более четко показывает ситуацию в конкретном месте в конкретный момент. Поэтому для объективной картины загрязнения необходимы данные с нескольких устройств.

Тем не менее инициатива развивалась децентрализованно и, конечно же, никто не хотел ограничивать людей, которые присоединялись к проекту. Поэтому сеть датчиков по Беларуси стала растягиваться стихийно. Есть места, где установлено только одно устройство. Однако и эти данные можно использовать для качественного анализа. Например, подключив к измерению радиационного фона.

 

Выпал черный снег, а когда приехала комиссия — все уже было «в норме»

Как рассказывает Иван Бецун, за время работы проекта удалось зафиксировать природные и техногенные явления, повлиявшие на качество воздуха. Например, во время народных праздников, когда происходит массовый запуск фейерверков, датчики фиксируют высокое пылевое загрязнение тяжелыми частицами. Влияют на качество воздуха и пожары в лесах и на торфяниках, что можно заметить и «невооруженным носом». Документально зафиксированы сезонные ухудшения на юго-западе Беларуси, когда в Польше начинают топить углем.

Хотя в стране и действует система государственного мониторинга, авторы проекта отмечают некоторые ее недостатки. Основные — малое количество измерительных станций, а также невысокая оперативность в отображении информации. Иногда публикуются довольно подробные отчеты о состоянии воздуха по всей стране, но это данные о прошедших событиях и явлениях, а не те, которые могут дать людям почву для принятия решений. Кроме того, часть данных получается дискретным способом — когда пробы воздуха отвозятся в лабораторию — это позволяет провести подробный анализ, но лишает оперативности. Обновление идет не чаще чем несколько раз в сутки.

Кроме того, что данные с датчиков AirMQ предоставляются в онлайн-режиме, как гражданская инициатива проект более гибок, быстрее и легче работает с «фидбеками» и старается освещать те вопросы, которые нас с вами более всего интересуют. Онлайн-мониторинг качества воздуха поставляет большой объем данных, которые можно обрабатывать, выявлять тенденции, определять точнее причины загрязнения. Это позволяет фиксировать состояние воздуха во дворе или на улице «прямо сейчас», а не узнавать о загрязнениях постфактум.

Иван Бецун припоминает случай в Могилеве, когда во время тестового запуска завода технического углерода «Омск-Карбон» в районе почернел снег. Ко времени приезда комиссии состояние воздуха уже было в пределах нормы. Если бы не зима, то загрязнение можно было зафиксировать только с помощью онлайн-мониторинга. Да и преимущество подобного подхода в том, что можно оперативно и самостоятельно следить за качеством воздуха. Если вдруг оно ухудшится — закрыть окна и ограничить пребывание на улице.

Специалист по “умным городам” и один из авторов проекта Михаил Дорошевич

 

Как самому собрать и установить датчик у себя дома

Организовать мониторинг качества воздуха за своим окном может каждый желающий. Какое-то количество датчиков предоставляет инициатива AirMQ. Правда, тут приоритет отдается местам, интересным для мониторинга. Например, выше третьего этажа устанавливать датчик не будут — замеры стараются проводить в приземном слое, то есть анализировать тот воздух, которым дышат пешеходы.

Есть и другие критерии. Однако, как отмечает Иван Бецун, датчик всегда можно собрать самостоятельно и присоединиться к сети AirMQ через приложение. Сегодня много наблюдений ведется именно с помощью устройств, которые собрали энтузиасты.

Как заверяют авторы, даже если вы начинающий радиолюбитель, то сможете собрать датчик своими руками. Чертежи можно скачать прямо на сайте проекта. Все детали доступны в специализированных магазинах (например, в БелЧипе) или их можно заказать через Ali Express. Первые датчики AirMQ так и изготавливались — скачивали чертежи, заказывали детали по почте и сами собирали. Чтобы собрать собственный датчик, понадобится 25-30 долларов и базовые знания в радиотехнике.

Отдельно стоит продумать способ подключения к электросети. Базовые модели, которые собирают участники проекта AirMQ, требуют подключения к блоку питания, в качестве которого вполне подойдет обычное зарядное устройство USB.

Также важно правильно выбрать расположение датчика. Есть ряд условий, которые должны соблюдаться для корректных измерений. Например, желательно сам датчик размещать с северной стороны — это позволит избежать перегрева и искажения результатов. Если такой возможности нет, то можно использовать различные технологические решения. Например, установить экраны, сконструированные из подручных материалов.

На показания датчиков значительно влияет влажность. При значениях, близких к конденсации, образуются капельки, которые могут фиксироваться как частицы. Как отмечает Иван Бецун, это проблема всех сенсоров, использующих метод рассеяния лазерного луча.

При повышении влажности до 70-80% датчики начинают экспоненциально увеличивать показания. Существует несколько способов решения – например, установить специальные грелки, которые подсушивают воздух. Можно математически учитывать погрешность, используя датчик измерения влажности. Главное – иметь это ввиду при анализе данных, чтобы представлять объективную картину загрязнения воздуха.

Всю информацию о том, как настроить датчик, «прошить» его и подключить к сети гражданского мониторинга качества воздуха можно найти на сайте. Там же подробно рассказывается о том, что такое проект AirMQ, что делать с собранной информацией и куда обращаться, если показатели превысят норму. Есть форма обратной связи. Не стесняйтесь писать: если возникнут вопросы, ответят вам в течение нескольких дней и помогут решить возникшую проблему.

 

Что измеряем? Гражданский мониторинг качества воздуха и радиационного фона

В рамках проекта происходит измерение трех типов твердых частиц – PM 10, PM 2.5 и PM 1. Как поясняет Иван Бецун, в самом проекте достаточно много математики. Основной показатель, который выдают сенсоры твердых частиц – массовая концентрация – вычисляется путем подсчета количества частиц, пролетевших через тестовую камеру и «вспыхнувших» в свете луча лазера. Это позволяет затем перевести количество в массу, то есть в итоге датчик выдает массовую концентрацию на определенный объем воздуха. На выходе мы получаем три графика, которые никогда не пересекаются. Выше всего значения у PM 10.

Кроме наблюдения за качеством воздуха, в приложении AirMQ можно также следить за уровнем радиации. Участники проекта расположили несколько датчиков на северо-западе Беларуси, в районе Островца, Сморгони, озер Свирь и Нарочь, а также одно устройство на юго-востоке, рядом с Хойниками. То есть в непосредственной близости к зоне заражения в результате аварии на Чернобыльской АЭС.

Авторы инициативы рассказывают, что за время мониторинга превышений допустимого уровня радиации выявлено не было. Однако на нескольких датчиках, установленных в разных местах, было отклонение от обычных значений на 10-20%. Причем произошли эти изменения одновременно по всей территории Беларуси – и на Нарочи, и в Гомельской области.

В приложении на графиках действительно можно увидеть кратковременное увеличение фона 26 января. В районе Островца показатели увеличились от обычных 0.12-0.14 до 0.165 мкЗв/ч, в районе Сморгони (деревня Залесье) – до 0.156мкЗв/ч, в районе Нарочи – до 0.155 мкЗв/ч.

Изменение радиационного фона, зафиксированное на Нарочи 26 января

Если внимательно рассматривать график изменения радиационного фона в Островце, то можно увидеть «пики» 8 февраля – 0.172 мкЗв/ч и 30 марта – 0.163 мкЗв/ч. Однако Иван Бецун объясняет изменения в показаниях одного прибора погрешностью отображения. В эти дни сигнал датчика пропадал, что на графике отразилось как небольшой «всплеск».

В любом случае повода для волнения нет: до 0.2 мкЗв/ч – это наиболее безопасный уровень радиации для человека. Нормой считается радиационный фон до 0.5 мкЗв/ч или 50 микрорентген в час. По данным радиационно-экологического мониторинга типичным для Минска является уровень радиации 8-12 мкР/час (0.08 – 0.12 мкЗв/ч) на улице и 15-20 мкР/час (0.15-0.2 мкЗв/ч) в помещении.

 

Тестируем приложение

Следить за качеством воздуха и радиационным фоном в Беларуси проще всего через мобильное приложение AirMQ. В самом приложении три вкладки — Карта, Дашборд и Устройства.

В первом разделе в режиме онлайн можно наблюдать за состоянием качества воздуха в вашем городе. Датчиков действительно очень много, сетью покрыта почти вся Беларусь. Через геолокацию выбираем ближайший. Нам сразу же покажут изменения за день, неделю и месяц. Внизу выбираем пункт «твердые частицы» и видим три графика. Это и есть PM 10, PМ 2.5 и PM 1. Если нажать на график, то можно прочитать более точные показания по выбранной нами точке.

Например, по району бульвара Мулявина мы увидим, что за последний месяц самые неблагоприятные показатели были зафиксированы 26 марта в 13:00. Содержание твердых частиц PM 10 составило 56 μq/m³. Это значит, что в это время качество воздуха было неблагоприятным для людей с заболеванием дыхательных систем. Им желательно было не выходить в этом районе на прогулку, оставаться дома.

Кстати, кроме уровня твердых частиц практически все датчики измеряют температуру, влажность и давление. Так что могут использоваться для наблюдения за погодой.

В разделе Дашборд вы можете увидеть усредненные показатели по городу. Например, по Минску. Как отмечает Иван Бецун, эти показатели пока не отражают объективную ситуацию. Сюда могут попадать данные с датчиков, которые не настроены или работают со сбоями. Тем не менее, средние показатели репрезентативны – все же большинство устройств протестировано и работает успешно. Также в этой вкладке вы можете добавить некоторые виджеты.

Последний раздел позволяет подключить и настроить ваш собственный датчик. Как рассказывают авторы проекта, сделать онлайн-помощник подключения собственного устройства к сети и было одной из основных целей разработки приложения. Тот же Дашборд как раз и является отражением данных, собираемых вашим датчиком. Тут можно отобразить график, можно зафиксировать карту с показателями из вашего дома.

 

Больше измерений, полезных и разных

Из ближайших планов инициативы AirMQ – опубликовать открытый программный интерфейс (API), чтобы собранные данные могли анализировать и интерпретировать все желающие. Также ведется работа над решением ряда технических вопросов, таких, например, как калибровка датчиков.

Как показал опыт, не всегда устройства собираются и устанавливаются пользователями правильно, а потому некоторые показатели могут попадать в сеть с погрешностью. Чтобы собирать более точные данные участники проекта хотят разработать и реализовать оптимальный механизм калибровки. Также в перспективах развивать аналитический раздел на сайте, что позволит установить корреляции между графиками, выявить тенденции по загрязнению воздуха и предложить прогнозы-рекомендации.

Хотелось бы авторам проекта и добавить типы измеряемых веществ. Пока собираются данные о содержании в воздухе пыли (тяжелых частиц), однако это не единственный загрязнитель. При помощи электрохимических сенсоров можно также измерять и диоксид азота, и озон, и угарный газ. Однако настройка такого типа датчиков потребует больших «полевых испытаний», определения оптимальных алгоритмов измерения.

Кстати, первые исследования содержания в воздухе диоксида азота (NO₂), одного из основных атмосферных загрязнителей больших городов, уже проводились в октябре 2020 года. Тогда активисты AirMQ поучаствовали в большом панъевропейском исследовании, проведенном в девяти городах при поддержке Sensor Community. В Минске были собраны данные в двадцати девяти точках. Самый грязный воздух оказался на Немиге, 2 (основным источником диоксида азота является транспорт).

Синим на карте обозначены места расположения официальных станций. Чем светлее точка — тем выше содержание NO₂. Как видно, мест с серьезным загрязнением диоксида азота в Минске в рамках исследования не было выявлено.

 

Воздух в Беларуси хороший, но бдительность необходимо сохранять

Как отметил во время нашего разговора с авторами проекта Михаил Дорошевич, исследования AirMQ в основном подтверждают то мнение, что в Беларуси мы дышим достаточно чистым воздухом. Однако это не означает, что наблюдения нужно прекращать.

Мониторинг качества воздуха – это элемент цивилизованного отношения к городской среде. Ведь ситуация может измениться в любой момент. Например, пожары на торфяниках или в лесах даже в соседней стране отразятся на нашей атмосфере. Как это было в прошлом году, когда в апреле горели леса в Украине. Тогда качество воздуха значительно ухудшилось не только в Киеве, но и в ряде беларусских городов.

Можно сказать, что проекты, подобные AirMQ, отражают не только качество воздуха, но качество жизни. Михаил Дорошевич привел пример Барселоны, когда после того, как горожане увидели, что воздух в городе не так плох, они занялись вопросом шумового загрязнения.

Поэтому знать, чем мы дышим – это даже не столько благо, сколько наше непосредственное право. И гражданский мониторинг качества воздуха позволяет это право реализовать.


ІНШЫЯ НАВІНЫ РУБРЫКІ

Падзяліцца: 16.04.2021

Перадрук матэрыялаў магчымы пры абавязковай наяўнасці зваротнай і актыўнай гіперспасылкі.