Feinstaubtracking per Fahrrad
Studiengang
Elektrotechnik (B.Eng.)Projektbeschreibung
Mobile Messung von Umweltdaten während der Fahrt mit dem Fahrrad
Die Verbesserung des Stadtklimas in Augsburg und anderen deutschen Großstädten erfordert zunächst eine detaillierte, flächendeckende Datenerhebung, um Gegenmaßnahmen möglichst zielgenau ergreifen zu können. In der Augsburger Innenstadt sind derzeit nur wenige dieser Klimamessstationen installiert.
Die Projektidee der Firma Xitaso war nun die Entwicklung einer mobilen Messstation, bei der bereits mit wenigen Messboxen eine flächendeckende Erfassung möglich ist.
Im Rahmen des Moduls Systems Engineering 1 wurde diese Projektidee in Form einer adaptierbaren Messbox umgesetzt. Damit ist es nun möglich, Klimamessungen während zyklisch wiederkehrenden Fahrten mit dem Fahrrad, wie z.B. dem täglichen Weg zur Arbeit, durchzuführen. Hierfür wurde eine kompakte und robuste Messeinheit entwickelt, welche die zyklisch messenden Daten von Feinstaubbelastung, Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck zusammen mit den Koordinaten der Messstelle und der entsprechenden Uhrzeit in einer Tabelle abspeichert. Montiert wird das Gehäuse unterhalb des Sattels an der Sattelstange, wodurch das gewohnte Benutzen des Fahrrads nicht beeinträchtigt wird.
Beteiligte Personen
| Studierendengruppe: | Josef Killisperger, Thomas Deisenhofer, Maximilian Rehm |
| Betreuer: |
Veranstaltung
Systems Engineering 1 (IK)
Laufzeit
WS 2022/23
Anforderungen
Da die Messbox in erster Linie für den Einsatz am Fahrrad vorgesehen ist, war eine feste Montage am Fahrrad notwendig, welche jedoch nicht den Fahrkomfort beeinflusst. Zudem wurden folgende Anforderungen an die Sensormessbox gestellt:
- Messung von Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Feinstaubbelastung und GPS-Standort mit Zeitstempel
- robustes aber auch kompaktes, Spritzwassergeschützes Gehäuse
- feste und intelligente Bauteilbefestigung im Gehäuse
- Wiederaufladbarer Akkubetrieb mit Füllstandsanzeige und einfacher Bedienbarkeit
- Speicherung der Daten auf einer SD-Karte
Umsetzung
Die Projektumsetzung erfolgte in folgenden 11 Schritten:
- Recherche zu ähnlichen Projekten
- Auswahl und Bestellung der Komponenten
- Funktionstest der einzelnen Sensoren am Microcontroller
- Test der Laderegelung
- Erstellung von 3D Modelle der Komponenten und dem Gehäuse
- Erstellung des Schaltplans
- Test der Komponenten zusammen
- Druck des Gehäuses
- Verdrahtung
- Finale Software
- Test der Sensorbox
Die Aufgaben wurden so verteilt, dass viele Schritte parallel abgearbeitet werden konnten. Beispielsweise wurden die Schritte 3-5 und 6-8 gleichzeitig abgearbeitet, in dem sich ein Gruppenmitglied einem Schritt erledigt hat. Die Dokumentation erfolgte Großteils zu Beginn und am Ende des Projekts.
Prinzipieller Aufbau:
Nach der Recherche haben wir uns für eine Schaltung entschieden, in der ein Microcontroller, über einen Laderegler, mit Lithium Ionen Zellen betrieben wird. Die Sensoren kommunizieren mit dem Microcontroller über einen I²C Bus, die SD-Karte über einen SPI Bus. Zusätzlich können die Sensoren außer dem GPS-Sensor über ein Solid State Relais abgeschaltet werden. Eine rote LED zur Fehleranzeige wurde ebenfalls zu den grünen LEDs, die zur Akkuanzeige dienen, eingebaut.
Verwendete Komponeneten:
- Microcontrollerboard: NodeMCU Lolin V3
- Feinstaubsensor: HM-3301
- GPS-Tracker: SparkFun MAX-M10S Breakout
- GPS-Antenne: UniteCom GLONASS GALILEO Puck
- Luftdruck-, Luftfeuchtigkeits- u. Temperatursensor: GY-BME280
- Board für MicroSD: DEBO MicroSD 3
- 4 GB MicroSD: Intenso Class 10
- Lithium Ionen Akkumulator: NCR 18650B
- Laderegler: Battery Shield V8
- Beleuchteter Drucktaster
- Ladebuchse: USB 2.0 Durchführungskupplung Typ A
- Schaltrelais: Solide State Relais Modul
- Gehäuse: 3D-Druck
Verwendung
Ist der Akku der Messbox ausreichend geladen, kann das System per Knopfdruck eingeschaltet werden.
Nun beginnt das Programm in einstellbaren Zeitintervallen die aktuelle Feinstaubbelastung zusammen mit Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck, aktueller GPS-Position und Uhrzeit in einer Tabelle zu speichern.
Längere Pausen werden automatisch erkannt und die Messungen unterbrochen. Ein längerer Tastendruck schaltet das System wieder aus.
Durch Entnahme der Speicherkarte können die Messdaten abgerufen werden. Außerdem können über die Speicherkarte bestimmte Einstellungen, wie z.B. der zeitliche Abstand zwischen den Messpunkten, vorgenommen werden.
