Challenges in developing and adapting low-cost environmental sensing projects

Abstract

Selv om det er kjent at miljøforurensning i urbane områder er en av de ledende årsakene til sykdom og for tidlig død, viser studier at det er mangel på åpne og tilgjengelige miljødata i både utviklingsland og industriland. Innsamling og analyse av miljødata er av avgjørende betydning for å kunne addressere en rekke utfordringer, blant annet når det gjelder klimaforskning og -politikk, landbruk og folkehelse. Det anslås at 68 \% av verdens befolkning vil bo i urbane områder innen 2050, og hvis man ikke tar tak i og har oversikt over miljøfaktorer som luftforurensning og stigende temperaturer, kan det påvirke milliarder av mennesker. Ved å utnytte 'maker'-miljøets entusiasme for bruk av åpen kildekode-teknologi og åpne data, er målet med denne forskningen å engasjere disse miljøene til å utvikle flere miljøsensorprosjekter og fremme åpenhet om miljødata i byene.

Å bygge miljøsensorprosjekter er en populær aktivitet i nettfora som "Hackster", "Instructables" og Arduino Forum, som introduserer entusiaster til sensorteknologi. Et urbant miljøsensorverktøy er en enhet eller et system som brukes til å overvåke og samle inn ulike miljøparametere, for eksempel luftkvalitet, temperatur og støy. Det er imidlertid utfordrende å utvikle slike prosjekter, ettersom det krever ferdigheter innen datateknologi, miljøvitenskap og elektroteknikk. Prosessen omfatter utvikling og produksjon av en fysisk enhet som er robust nok til å kunne brukes i en urban kontekst, produksjon av maskinvare (elektronikk), utvikling av 'firmware', dataanalyse og metoder for innsamling av data.

For å engasjere makers gjennom hele livssyklusen med å utvikle og anvende et miljøsensorprosjekter, er det nødvendig å forstå hvilke utfordringer makere står overfor, og hva som driver dem, noe som fører til det første forskningsspørsmålet som utforskes i denne oppgaven:

RQ1: Hvilke utfordringer møter makers når de utvikler og anvender miljøsensorprosjekter?

Basert på innsikten fra RQ1 er neste steg å ta tak i noen av utfordringene, noe som leder oss til det andre forskningsspørsmålet:

RQ2: Hvordan utforme miljøsensorprosjekter for makers som er engasjerende og brukervennlige?

Denne forskningen er basert på et rammeverk som omfatter en rekke ulike forskningsmetoder for å kunne svare på spørsmålene. For å svare på RQ1 ble det gjort en litteratursøk om maker-miljø og lavkostnads-miljøsensorprosjekter, sammen med en webscraping-øvelse, for å forstå de nåværende utfordringene i både formell og uformell litteratur for makers som utvikler disse prosjektene. RQ2 ble besvart ved hjelp av en designvitenskapelig metode, der designretningslinjer som følge av utfordringer fra RQ1 ble addressert i en urban miljøsensorplattform utviklet ved MIT, kalt "The Octopus", for å studere hvordan implementasjonene påvirker engasjementet og brukervennligheten for makers.

Denne forskningen bidrar til feltet for designretningslinjer for miljøsensorprosjekter tilpasset makers, og til å forstå hvordan disse retningslinjene kan påvirke brukerengasjementet og brukervennligheten. Retningslinjene omfatter spesifikasjoner for design, materialer, guider, brukerhistorier og prosesser som gjør det lettere å gjenskape lignende prosjekter. Dette kan være med å gjøre det mulig for makers med ulik bakgrunn og ulike ferdighetsnivåer til å utvikle flere urbane miljøsensorprosjekter i sine lokalmiljøer.

For å evaluere de utviklede retningslinjene ble det gjennomført tre ekspertintervjuer for å forstå hvordan innsikten fra litteratursøket gjenspeiles i ekspertenes erfaringer med maker-miljø og miljøsensorprosjekter. Etter at retningslinjene var implementert, ble deler av miljøsensorprosjektet og retningslinjene evaluert gjennom to workshoper, der det ble gjennomført semistrukturerte intervjuer med deltakerne for å vurdere brukerengasjement og diskutere brukervennligheten til prosjektet. For å analysere brukervennligheten til det produserte materialet ytterligere, ble en skala for systembrukbarhet (SUS) besvart av 13 deltakere fra workshopene.

Denne forskningen avdekker noen av utfordringene ved å utvikle og anvende verktøy for urban miljømonitorering for makers, og foreslår retningslinjer og ressurser som vil engasjere flere makers i det stadig voksende feltet for monitorering urbane miljøer.

Although it is known that environmental pollution in urban areas is one of the leading causes of disease and premature death, studies reveal a lack of open and accessible environmental data in both developing and developed countries. The collection and analysis of environmental data are of critical importance in the context of addressing a range of challenges, including but not limited to climate research and policy, agriculture, and public health. With an estimated 68% of the world’s population expected to reside in urban areas by 2050, failing to address these environmental factors such as air pollutants and rising temperatures could affect billions of people. By leveraging the maker community’s enthusiasm for encouraging the use of open-source technologies and open data, the objective is to engage these communities to develop more environmental sensing projects, fostering environmental data openness in cities.

Building environmental sensing projects is a popular activity in online forums such as “Hackster”, "Instructables" or Arduino Forum, introducing enthusiasts to sensing technologies. An urban environmental sensing tool is a device or system used to monitor and collect different environmental parameters, such as air quality, temperature, noise. However, developing urban environmental sensing projects is challenging as it requires skills in computer science, environmental science, and electrical engineering. The process involves developing and fabricating a physical device that is robust enough to be deployed in an urban context, hardware fabrication (electronics), firmware development, deployment, and data analysis methods.

To engage the makers throughout the lifecycle of developing and adapting an environmental sensing project, it is necessary to understand what challenges are faced by makers, and what drives them, which leads to the first research question explored in this manuscript:

RQ1: What are the challenges maker communities encounter when developing and adapting environmental sensing projects?

Building on the insights gained from RQ1, the next step of this research is to address some of the challenges, which leads us to the second research question:

RQ2: How to design environmental sensing projects for makers that are engaging and user-friendly?

This research is based on a framework that incorporates a variety of research approaches to address the research questions. To answer RQ1, a literature review was done on maker communities and low-cost environmental sensing projects, together with a web scraping exercise, to understand the current challenges in both formal and informal literature for makers developing these projects. RQ2 was answered by a design science methodology, implementing design guidelines from RQ1 in an urban environmental sensing platform developed at MIT, the Octopus, to study how they affect engagement and user-friendliness for makers. This research contributes to the field of design guidelines for makers in developing and adapting environmental sensing projects, and in understanding how these guidelines can affect user engagement and user-friendliness for makers. The guidelines include specifications regarding the design, materials, schematics, use cases, and processes that facilitate the replication of similar projects. This enables makers from varying backgrounds and skill levels to successfully develop urban environmental sensing projects in their local environments.

To evaluate the developed guidelines, three expert interviews were conducted to understand how the insights are reflected in the expert’s experiences with maker communities and environmental sensing projects. Once implemented, the guidelines were evaluated against usability through two workshops, during which semistructured interviews were performed with participants to assess user engagement, and satisfaction, and discuss the usability of the project developed. To further analyze the usability of the produced materials, a system usability scale (SUS) was answered by 13 participants from the workshops.

This research reveals some of the challenges in developing and adapting urban environmental sensing tools for "makers," suggesting guidelines and resources that will engage more makers in the evolving field of sensing the urban environment.