Levegőminőséget vizsgáló detektorok készítése és az adatok valós idejű térképes megjelenítése

A fenti címmel valósult meg az Emberi Erőforrások Minisztériuma által támogatott Út a tudományhoz pályázat keretében egy innovációs kutatóprogram a Debreceni Szakképzési Centrum Mechwart András Gépipari és Informatikai Szakgimnáziuma öt diákjának részvételével, a Debreceni Egyetem Fizikai Intézetének közreműködésével.
A kutatócsoportban résztvevő tanulók:

• Balázs László
• Dremák Gergely
• Jánószky Máté Levente
• Sámi Márton
• Vida Imre

A kutatást vezető mentor: Szőllősi Irén középiskolai tanár
A Debreceni Egyetem részéről a kutatást vezette: Dr. Ujvári Balázs egyetemi adjunktus

Mindenki által ismert, hogy léteznek olyan térképek, amelyek levegőminőségi és hőmérsékleti adatokat jelenítenek meg, de ezek nagy magasságban, a talajszint fölött körülbelül 3+ méterre lévő, viszonylag kevés szenzorral, nagy területen átlagolt időszakos mérések eredményeire támaszkodnak. Célunk, olyan valós idejű térképek készítése volt, melyek pl. Debrecen belvárosának hőmérsékleti adatait, légnyomását, páratartalmát, zajterhelését, légszennyezettségét, ezen belül CO 2 -tartalmát, kipufogógáz és szállópor koncentrációját mutatják. Ennek megvalósításához egy szenzorokat tartalmazó, karórához hasonló, hordozható adatgyűjtő eszközt építettünk.
A központi panel, melyre az alkatrészeket ráforrasztottuk, az eszköz tetején helyezkedik el. Ezen vannak az állapot LED-ek, illetve a mikrofon. Ez alatt, illetve a doboz oldalán kaptak helyet a különböző szenzorok, és a hordozhatóság miatt szükséges akkumulátor. A szenzorokat és az elektronikai komponenseket magában foglaló műszerdoboz 3D nyomtatással készült. A szenzorok kalibrációja, tesztelése igen időigényes feladat volt. Több típus mérési eredményeit összehasonlítva, a költséghatékonyságot is figyelembe véve választottuk ki a megfelelő szenzorokat. A karóradetektor kicsinek bizonyult ahhoz, hogy minden szenzort elrejtsen, ezért terveztünk egy másik, körülbelül 10 cm átmérőjű, UFO alakú detektort is.

Ezt követően az adatgyűjtéshez szükséges feltételeket teremtettük meg. A detektorokról a begyűjtött adatokat bluetooth-on keresztül továbbítjuk okostelefonra, ami megfelelő időközönként továbbküldi a GPS információkkal ellátott nyers adatokat a szerverre. Ennek a folyamatnak a gondos megtervezése, gyakorlati kivitelezése jelentette a projekt egyik legnagyobb kihívását. Célunk az volt, hogy a mért adatok minél gyorsabban és a valóságot minél jobban tükrözve juthassanak el további feldolgozásra. A bluetooth-os jelátvitelhez alkalmazást kellett írni okostelefonra.
A szerver egy Raspberry PI 3 számítógépen fut. Ez fogadja az adatokat és helyezi be az SQL adatbázisba. Ezeket az adatokat egy webszerver küldi a weboldal felhasználóinak. Ehhez a projekt során webalkalmazást készítettünk. Front-end-en a térképet JavaScript jeleníti meg a Bing Maps API segítségével. Újszerűsége ennek a projektnek, hogy ellentétben a hasonló internetes térképekkel, ez valós idejű, és a lakosság részére sokkal pontosabb adatokkal tud szolgálni. A szenzorok körülbelül 2 méteres magasságban helyezkednek el, azon a szinten, ahonnan a levegőt belélegezzük.
A kivitelezés legnagyobb nehézsége olyan átfogó algoritmus írása volt, ami a térképes megjelenítésnél legjobban tükrözi két mérési pont között az értékeket. Ehhez megfelelő függvényt kellett kitalálni, melynek pontosságát számos mérési eredmény támasztja alá. A projekt végső mozzanata a detektorok működésbe helyezése volt. A munkába további tanulótársakat is bevontunk, akik a hordozható eszközökkel sétáltak az előre meghatározott útvonalon.
A mozgatható detektorok működtetése nagy előkészületet (Bluetooth, mobilinternet, GPS beállítása) igényel, így ezek nincsenek folyamatos használatban.
A kivitelezés előre nem tervezett hozadéka, hogy fix detektorokat is kihelyeztünk Debrecen város különböző pontjain. A mért adatok valós idejű térképes megjelenítése honlapunkon is a nagyközönség rendelkezésére áll (kivéve karbantartási műveletek ideje alatt.) A 28. Ifjúsági Tudományos és Innovációs Verseny kétnapos kiállításán az érdeklődők szintén ezt a térképet láthatták valós idejű adatokat szolgáltatva. Az M1 és M5 tévécsatorna is sugározta a kiállítás kapcsán a Vida Imrével készült interjút. A versenyen Dremák Gergely és Vida Imre 2. helyezést ért el. Az eredmény alapján a Magyar Fiatal Tudósok Egyesületének tagjaivá választották őket. Az Innovációs Szövetség mindkét diákot tehetségútlevéllel jutalmazta, melynek birtokában már elsőéves egyetemi hallgató korukban is folytathatnak tudományos kutatómunkát.

Az innovációs projekt eredményei leginkább a környezet- és természetvédelemben, illetve a lakosság informálásában lesznek hasznosíthatók. Többek között mérni tudjuk a levegőben lévő szennyező anyagok koncentrációját, és térképen láthatóvá tesszük azokat. A szennyezettségi értékek ismeretében meg lehet tenni a szükséges óvintézkedéseket. Az emberek egészségének megőrzése gazdasági haszonnal is jár.
A tanulótársaknak és a nagyközönségnek is bemutatták a projekt résztvevői munkájukat. A fent említetteken kívül tanórán, illetve az Elmondom hát mindenkinek diákkonferencián tartottak előadást, demonstrátorként jelen voltak a debreceni Fizikatanári Ankét egyik műhelyfoglalkozásán, részt vettek a Szakmák Éjszakája 2019 kiállításon, továbbá a médiában (M1, M5, DebrecenTV, Dehir, HAON, Hajdú-Bihari Napló, Európa Rádió) és az iskolaújságban is közzétették eredményeiket.

További információkat talál a projektről az alábbi linkre kattintva.