Low Power Environmental Air Quality Monitoring

Abstract

Måling av personlig miljøluftkvalitet blir stadig mer relevant i dagens samfunn. Tradisjonell overvåking krever overdimensjonerte, dyre instrumenter, med langsomme og intensive prøvetakingsmetoder. Skalerbare, lavprismonitorer kreves for å erstatte disse utdaterte designene, for dermed å øke global tilgang til luftkvalitetsdata.

Disruptive Technologies designer og produserer IoT-løsninger og spesialiserer seg på smarte trådløse sensorer med lang batterilevetid. Målet med dette prosjektet er derfor å utvikle en batteridrevet miljøkvalitetsmonitor, med tilsvarende batterilevetid som Disruptive Technologies eksisterende sensorer. Monitoren må ikke bare kunne måle et antall skadelige luftforurensninger, men også vurdere arbeidsmiljø. Det legges spesiell vekt på partikkeldeteksjon da det vil gi monitoren kommersiell levedyktighet.

En rekke partikkelsensorer ble introdusert. Innledende målinger på hver sensor ble utført for å teste deres egnethet som en del av en komplett batteridrevet skjerm. Av alle de testede sensorene viste bare Sharp GP2Y10AU0F, en kompakt optisk støvsensor, lavt nok strømtrekk for batteridrift. En rekke teknikker for å redusere strømtrekket ble introdusert som en del av et testdesign med Sharp-sensoren og en mikrokontroller. Det totale beregnede energibehovet til sensoren kom på 1 638J for to års levetid. Sharp-sensoren ble kombinert med to andre sensorer (en sensor som måler både flyktige organiske kjemikalier (VOC) og karbondioksid (CO2) og en sensor måler temperatur og luftfuktighet) som en modell for de komplette energibehovene til monitoren . Det totale beregnede strømforbruket kom til 125 968J, som langt overstiger en standard batterikapasitet på opptil 39 960J. Den uforutsette energibegrensningen til dette designet var med den valgte VOC sensoren, men prosjektet har fortsatt vist mulige muligheter for en batteridrevet miljøkvalitetsmonitor som er i stand til å måle luftpartikler.

Measuring personal environmental air quality is becoming increasingly relevant in today's society. Traditional monitoring requires oversized, expensive instruments, with slow and intensive sampling methodologies. Scalable, low-cost monitors are required to replace these outdated designs, to increase global access to air quality data.

Disruptive Technologies provides long lifetime IoT solutions, specialising in smart wireless sensors. The aim of this project is therefore to develop a battery-operated environmental air quality monitor, with lifetime standards in line with those at Disruptive Technologies. The monitor must not only be able to measure a number of harmful air contaminants but also to measure the quality of the working environment. Specific emphasis on particulate matter sensing will provide a monitor with commercial viability.

A number of particulate matter sensors were introduced. Initial current measurements on each were conducted to test their individual feasibility as part of a complete battery-powered monitor. Out of all of the tested sensors, only the Sharp GP2Y10AU0F compact optical dust sensor showed low current consumption for battery operation. A number of techniques to reduce this power consumption were introduced as part of a test design with the Sharp sensor and a microcontroller. Overall the calculated energy requirement for the sensor came to 1 638J for a two year lifetime. This was combined with two other sensors (one sensor measuring both volatile organic chemicals (VOC) and carbon dioxide (CO2), and the other sensor measuring both temperature and humidity) as a model of the complete energy requirements for the monitor. The total calculated energy consumption came to 125 968J, far exceeding a standard battery capacity of up to 39 960J. The unforeseen power limitation of this design was with the chosen VOC sensor, however, the project has still shown feasible opportunities for a battery powered environmental air quality monitor capable of measuring particulate matter.