Development of an integrated environmental sensor for indoor air quality

Abstract

Lufta vi pustar har innverknad på helsa vår, og dårleg luft kan gje både milde og alvorlege plager. Som eit bidrag til å forhindre ubehag og skade, eller å forsikre høg produktivitet på ein arbeidsplass, nyttar ein sensorar for å overvåke luftkvalitet. I dag blir dette gjort ved hjelp av fast monterte sensorar, som gir målingar som skal gje eit bilete av luftkvaliteten i eit rom eller ein bygning. Som eit alternativ til dette, ser ein på mogleheita for å gjere tilsvarande målingar frå flygande dronar.

Denne masteroppgåva tek føre seg denne problemstillinga, med eit fokus på sensorikk. Oppgåva skildrar utviklinga av ein prototype for ein sensornode som kan måle ymse parametrar knytt til luftkvalitet. Ønsket om at produktet skal vere lite nok til å bli bore av ein drone, har vore førande undervegs. Med dette som bakteppe blei komponentar testa og valt ut, og blei implementert i eit eigenutvikla kretskort. Dette kretskortet bestod av sensorar, mikrokontroller og forskjellige kommunikasjonsgrensesnitt med meir. Som del av denne prosessen blei det utvikla programvare til mikrokontrolleren, som gjorde samhandling med sensorar mogleg. Sensornoden hadde sensorar som målte parametrane temperatur, trykk, luftfuktigheit, karbondioksid (CO2) og flyktig organisk materiale (VOC). Nøyaktigheita til desse sensorane blei testa ut gjennom ei rekke lengre testar, men ikkje i samhandling med dronar. Den resulterande sensornoden blei òg vurdert opp mot kriterium for vekt og storleik.

Resultata synte at nokre av parametrane klarte sensorane å gje att veldig presist. To parametrar, CO2 og VOC, viste seg vanskelegare å måle med måleutstyr i så liten skala. Vidare blei nyttegraden av målingane dratt i tvil og diskutert, ettersom dei ikkje direkte kan overførast til luftforhold rundt dronar. Storleik og vekt på den resulterande prototypen endte opp med å bli større enn ønska, men moglege forbetringar og endringar som kan endre på dette blei foreslått.

Oppsummert dokumenterer oppgåva ei vellykka utvikling av maskinvara til sensornoden. Samtidig har problemområde blitt framheva, og forslag til forbetringar eller alternativ har blitt drøfta. Oppgåva har gitt god oversikt over kva som har fungert godt og dårleg. Arbeidet vil kunne utgjere eit grunnlag for vidare forskning på problemstillinga.

The air we breathe affects our heath, and poorly ventilated air can cause both mild nuisances and serious harm. As a contribution to prevent discomfort and harm, or in order to insure high productivity in a working environment, sensors are used to monitor air quality. This is currently done by means of fixed sensors, which give measurements that offer a description of the air quality in a room or a building. As an alternative, the possibility of performing similar measurements from flying drones is proposed.

This master thesis takes on this problem, with an emphasis on sensory testing methods. The thesis describes the development of a prototype of a sensor node, which can measure various parameters linked to air quality. A preference for small size and low weight, to be compatible with a drone, has been an area of focus. With this in mind components were tested and chosen, and were implemented in a custom made printed circuit board (PCB). The PCB consisted of sensors, microcontroller, various communication interfaces, and more. Software for the microcontroller was developed as part of this process, which enabled interaction with sensors. The sensor node consisted of sensors measuring the parameters of temperature, pressure, humidity, carbon dioxide (CO2) and volatile organic compound (VOC). The accuracy of the sensors was tested by means of several extended tests, but not whilst interacting with a drone. The resulting sensor node's weight and size was also evaluated.

The results showed very precise reproduction of some parameters. Two parameters, CO2 and VOC, proved difficult to measure with equipment of this scale. The usefulness of the measurements was questioned, as they aren't directly comparable with air conditions around drones. Size and weight of the resulting prototype was somewhat bigger than anticipated, but possible improvements and changes were suggested.

In summary the thesis documents a successful development of the sensor node's hardware. Areas of concern, and suggestions for improvement have been discussed. The thesis offers a good overview of what proved to function well and what didn't. The work can serve as basis for further inquiry into the subject.