Система мониторинга качества воздуха Smart City на базе LoRa

Компоненты и материалы

Компонент	Количество
Arduino UNO	1
Seeed Base Shield V2	1
NodeMCU ESP8266 Breakout Board	1
Seeed Loudness Sensor (датчик громкости)	1
Seeed Grove – Air Quality Sensor v1.3 (датчик качества воздуха)	1
Seeed Grove – Temperature & Humidity Sensor (DHT11)	1
Reyax LoRa Module (модуль RYLR998)	1
Seeed Small Solar Panel 80x100mm 1W (солнечная панель)	1
Seeed LiPo Rider Pro (контроллер заряда LiPo)	1
Li-Ion аккумулятор 3.7 В (перезаряжаемый)	1

Необходимые инструменты и оборудование

• 3D-принтер (для печати корпуса)

Программное обеспечение и онлайн-сервисы

• Arduino IDE — среда разработки для прошивки микроконтроллеров
• Grandeur — IoT-платформа для управления устройствами и визуализации данных
• Grandeur Canvas — инструмент создания дашбордов с drag-and-drop интерфейсом

Обзор проекта

Smart City и качество воздуха

Согласно Всемирному банку, «умный город» использует технологии для предоставления высокоэффективных городских услуг и создания устойчивой городской среды. Ключевым элементом этой концепции является мониторинг окружающей среды в реальном времени, который позволяет выявлять источники загрязнения и принимать обоснованные управленческие решения — от оптимизации трафика до рекомендаций безопасных пешеходных маршрутов.

Проблема и решение

Загрязнение воздуха в городах несет серьезные риски для здоровья, и своевременные данные критически важны для его снижения. Сети IoT из недорогих сенсорных узлов могут непрерывно фиксировать параметры качества воздуха и метеоусловий. В сочетании с надежным низкоэнергозатратным каналом связи такие сети позволяют городским властям обнаруживать очаги загрязнения и реагировать проактивно.

План проекта

Наше решение отслеживает ключевые экологические показатели — шум, температуру, влажность и качество воздуха — и передает данные беспроводно в облачную платформу. Весь узок питается от солнечной панели мощностью 1 Вт с резервным Li-Ion аккумулятором, обеспечивая автономную работу. Облачный дашборд визуализирует данные в реальном времени, обеспечивая мгновенные инсайты и анализ долгосрочных трендов.

Вместо подключения каждого датчика напрямую к облаку — подхода, увеличивающего энергопотребление и затраты — мы агрегируем данные от нескольких ближайших узлов и передаем их через единый LoRa-шлюз. Дальнодействующие и малоэнергозатратные характеристики LoRa делают его идеальным для плотных городских развертываний.

В качестве бэкенд-платформы выбрана Grandeur благодаря удобным SDK для Arduino, NodeMCU и Raspberry Pi, а также визуальному конструктору дашбордов.

Солнечная энергия обеспечивает устойчивое, не требующее обслуживания питание для удаленных узлов, а Li-Ion аккумулятор гарантирует работу в периоды низкой инсоляции.

Сборка сенсорного узла

Узел интегрирует Grove-датчик качества воздуха, датчик громкости и датчик температуры/влажности DHT11 — все они подключаются к Seeed Base Shield без пайки, что упрощает сборку и обслуживание.

Питание обеспечивается солнечной панелью 1 Вт и контроллером заряда Seeed LiPo Rider Pro, который включает 5-вольтовый повышающий преобразователь для поддержания рабочего напряжения Arduino.

Беспроводную передачу осуществляет трансивер Reyax RYLR998 LoRa. Поскольку модуль работает с логикой 3.6 В, простой делитель напряжения защищает 5-вольтную линию TX Arduino.

Ниже представлена схема соединений, связывающая LoRa-модуль с Base Shield через кастомный адаптер.

После сборки проверьте связь, отправив AT-команду с Arduino на LoRa-модуль.

Загрузка и тестирование

Загрузите предоставленный скетч в Arduino, затем откройте монитор последовательного порта для подтверждения корректной передачи показаний датчиков.

Монтаж в корпус

Распечатайте STL-файлы из раздела вложений. После проверки совместимости разместите компоненты внутри корпуса, зафиксировав их двусторонним скотчем или термоклеем. Установите солнечную панель на крышку и проложите кабели питания через технологическое отверстие.

После фиксации всех компонентов узел готов к полевому развертыванию.

Настройка Grandeur

Grandeur — это IoT-бэкенд, связывающий устройства с пользователями и предоставляющий дашборд в реальном времени. Выполните следующие шаги для настройки проекта:

1. Создайте новый проект на grandeur.dev.
2. Зарегистрируйте учетную запись пользователя — она понадобится для привязки устройств.
3. Определите модель устройства со следующей JSON-схемой:

   {"temp":0, "humid":0, "air":0, "noise":0}

4. Создайте экземпляр устройства, скопируйте его уникальный ID и токен доступа — они понадобятся для прошивки Arduino.
5. Привяжите устройство к пользователю через дашборд или API (метод pairDevice()).
6. Создайте дашборд в Canvas: добавьте четыре виджета-графика — для температуры, влажности, уровня шума и качества воздуха — и свяжите их с соответствующими переменными.

После авторизации Canvas пользователи смогут входить в систему и просматривать данные в реальном времени. API-ключ и токен устройства потребуются для прошивки шлюза.

Настройка IoT LoRa-шлюза

NodeMCU выступает в роли LoRa-шлюза: он принимает UART-данные от сенсорного узла и передает их в Grandeur через Wi-Fi. Хотя для этой роли можно использовать Raspberry Pi, NodeMCU предлагает компактное и недорогое решение, полностью удовлетворяющее требованиям проекта по пропускной способности и задержкам.

Прошивка шлюза

Прошивка разбирает полученный от LoRa-модуля запятыми-разделенный пакет, преобразует каждое значение в float и отправляет в Grandeur через предоставленный SDK. Ниже приведена основная логика извлечения и передачи данных.

void process_received_data() {
  start_pos = inputString.indexOf(start_val);
  end_pos = inputString.indexOf(end_val);
  String data_string = inputString.substring(start_pos + 1, end_pos - 1);
  
  int firstCommaIndex = data_string.indexOf(',');
  int secondCommaIndex = data_string.indexOf(',', firstCommaIndex + 1);
  int thirdCommaIndex = data_string.indexOf(',', secondCommaIndex + 1);
  
  String temperature = data_string.substring(0, firstCommaIndex);
  String humidity = data_string.substring(firstCommaIndex + 1, secondCommaIndex);
  String noise_level = data_string.substring(secondCommaIndex + 1, thirdCommaIndex);
  String air_quality = data_string.substring(thirdCommaIndex + 1);
  
  temp = temperature.toFloat();
  humid = humidity.toFloat();
  noise = noise_level.toFloat();
  air = air_quality.toFloat();
  
  inputString = "";
  stringComplete = false;
}

Визуализация данных

Программный код

Сенсорный узел (Arduino)

#include "AirQuality.h"  // Библиотека Grove air quality
#include "Arduino.h"
#include "DHT.h"

#define DHTPIN 4        // Цифровой пин для DHT11
#define DHTTYPE DHT11   // Модель датчика
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

AirQuality airqualitysensor;

int current_quality = -1;
const int sampleWindow = 50;  // Окно выборки 50 мс (20 Гц)
unsigned int sample;
float noise;
float temp, humid;
int airQuality;

void setup() {
  Serial.begin(115200);  // UART для LoRa
  airqualitysensor.init(14);
  dht.begin();
}

void loop() {
  noise = calculate_sound_in_db();
  airQuality = calculate_air_quality();
  calculate_temp_humid();
  
  String values = String(temp) + "," + String(humid) + "," + String(noise) + "," + String(airQuality);
  String cmd = "AT+SEND=0," + String(values.length()) + "," + values;
  Serial.println(cmd);
  delay(15000);
}

float calculate_sound_in_db() {
  unsigned long startMillis = millis();
  float peakToPeak = 0;
  unsigned int signalMax = 0;
  unsigned int signalMin = 1024;
  
  while (millis() - startMillis < sampleWindow) {
    sample = analogRead(A1);
    if (sample < 1024) {
      if (sample > signalMax) signalMax = sample;
      else if (sample < signalMin) signalMin = sample;
    }
  }
  
  peakToPeak = signalMax - signalMin;
  float db = map(peakToPeak, 0, 1000, 48, 120);
  return db;
}

int calculate_air_quality() {
  current_quality = airqualitysensor.slope();
  return current_quality;
}

void calculate_temp_humid() {
  float h = dht.readHumidity();
  float t = dht.readTemperature();
  if (isnan(h) || isnan(t)) return;
  temp = t;
  humid = h;
}

ISR(TIMER1_OVF_vect) {
  if (airqualitysensor.counter == 61) {
    airqualitysensor.last_vol = airqualitysensor.first_vol;
    airqualitysensor.first_vol = analogRead(A0);
    airqualitysensor.counter = 0;
    airqualitysensor.timer_index = 1;
    PORTB = PORTB ^ 0x20;
  } else {
    airqualitysensor.counter++;
  }
}

Шлюз (NodeMCU / Arduino)

/* Подключение SDK и WiFi-библиотеки */
#include <Grandeur.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial LORA(D7, D8);

/* Конфигурация */
String deviceID = "your_device_id";
String apiKey = "your_api_key";
String token = "your_device_token";

/* Wi-Fi учетные данные */
String ssid = "your_wifi_ssid";
String password = "your_wifi_password";

/* Объекты проекта и устройства */
Grandeur::Project project;
Grandeur::Project::Device device;

/* Состояние подключения и таймер */
int connected = 0;
uint32_t lastUpdate = 0;

String inputString = "";
boolean stringComplete = false;

// Разделители пакета (задаются на передающем узле)
char start_val = ':';
char end_val = '%';
int start_pos = 0;
int end_pos = 0;

float temp = 0;
float humid = 0;
float air = 0;
float noise = 0;

/* Колбэк состояния подключения */
void onConnection(bool status) {
  switch (status) {
    case CONNECTED:
      Serial.println("Device is connected to the cloud.");
      connected = 1;
      lastUpdate = millis();
      return;
    case DISCONNECTED:
      Serial.println("Device is disconnected from the cloud.");
      connected = 0;
      return;
  }
}

/* Подключение к Wi-Fi */
void connectWiFi() {
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

/* Колбэк подтверждения обновления данных */
void dataCallback(const char* code, Var res) {
  if (code == "DEVICE-DATA-UPDATED") {
    double temp_data = (double) res["update"]["temp"];
    double humid_data = (double) res["update"]["humid"];
    double noise_data = (double) res["update"]["noise"];
    double air_data = (double) res["update"]["air"];
    Serial.printf("Temperature: %f Humidity: %f Noise Level: %f Air Quality: %f\n",
                  temp_data, humid_data, noise_data, air_data);
    return;
  }
  Serial.println("Failed to Update DATA");
  return;
}

/* Отправка обновлений в облако */
void sendUpdate() {
  Var data;
  data["temp"] = temp;
  data["humid"] = humid;
  data["noise"] = noise;
  data["air"] = air;
  
  device.data().set("temp", temp, dataCallback);
  device.data().set("humid", humid, dataCallback);
  device.data().set("noise", noise, dataCallback);
  device.data().set("air", air, dataCallback);
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  LORA.begin(115200);
  inputString.reserve(200);
  
  connectWiFi();
  
  project = grandeur.init(apiKey, token);
  device = project.device(deviceID);
  project.onConnection(onConnection);
}

void loop() {
  serialEvent();
  project.loop(WiFi.status() == WL_CONNECTED);
  
  if (stringComplete) {
    process_received_data();
    if (connected) sendUpdate();
  }
}

void serialEvent() {
  while (LORA.available()) {
    char inChar = (char)LORA.read();
    if (inChar == '\n') {
      stringComplete = true;
    } else {
      inputString += inChar;
    }
  }
}