Experimentální bezdrátová senzorová síť pro monitoring znečištění ovzduší ve středu města Olomouce (E-BOSS)

Mgr. Vendula HEJLOVÁ

Disertační práce

Experimental wireless sensor network for air pollution monitoring in the centre of Olomouc city

Anotace:

Cílem disertační práce je vybudovat a ověřit bezdrátovou senzorovou síť v městském prostředí. V disertační práci je popsán celý proces od rozhodnutí využití této technologie přes výběr komponent a konfiguraci až po závěrečné vyhodnocení naměřených dat. První dílčí cíl je zaměřen na výběr komponent bezdrátové senzorové sítě. V rámci tohoto dílčího cíle je rozhodnuto, že bezdrátová senzorová síť bude sledovat klima města. Dalším krokem je proveden průzkum trhu a stanovena kritéria výběru komponent. Dále jsou nastaveny ideální hodnoty kritérií pro olomouckou bezdrátovou senzorovou síť. Na podkladě těchto údajů jsou pomocí multikriteriální analýzy z nabízených možností vybrány komponenty pro olomouckou bezdrátovou senzorovou síť. Obsahem druhého dílčího cíle je navrhnout rozmístění uzlů bezdrátové senzorové sítě v terénu. V rámci distribučních algoritmů pro bezdrátové senzorové sítě je pouze zřídka řešen terén, a tak bylo přistoupeno k návrhu algoritmů, které při rozmisťování uzlů berou v potaz technické možnosti uzlů i terénní parametry. Propojení uzlů je založeno na teorii grafů. Třetí dílčí cíl se soustředí na ověření konfigurace uzlů, do nichž jsou nahrány vytvořené komunikační protokoly. Uzly jsou rozmístěny do dvou klastrů do terénu. Jeden klastr se nachází na kraji města Olomouc a druhý v jeho centru. Technická data z bezdrátové senzorové sítě jsou zhodnocena. Tato technická data zahrnují identifikaci kanálu, který je nejméně zatížen komunikací, ověření výdrže baterie v rozdílných konfiguracích, sledování síly signálu a zhodnocení úspěšnosti přenesených paketů. Dále je konfigurováno úložiště dat ze senzorů v bráně a vytvořeno záložní, do nějž jsou filtrována data bez hrubých a systematických chyb. Čtvrtý dílčí cíl se zaměřuje na meteorologické a chemické prvky získané bezdrátovou senzorovou sítí. Nejprve je provedeno porovnání naměřených meteorologických dat s daty referenčními. Po vyhodnocení přesnosti měření je pozornost zaměřena na teplotní a vlhkostní data získaná v obou klastrech. Dále je uveden návod pro práci s nenakalibrovanými chemickými čidly a ukázány denní, týdenní a měsíční trendy v jejich chodu. Závěrem jsou spojena meteorologická a chemická data a vyvozeny závěry o zdrojích znečištění ovzduší v Olomouci.

Abstract:

The aim of the thesis was to construct and evaluate wireless sensor network for meteorological and air pollution monitoring in city environment. The first part of this thesis was focused on the definition of the purpouse of wireless sensor network in Olomouc. Criteria for wireless sensor network components selection were determined. Commercially offered products were analysed. The selection of the most suitable components for Olomouc wireless sensor network was done using multicriteria analysis. Communication protocols for the effective data sending were developed. Communication algorithms for outdoor environment are not effective so that author designed two algorithms dealing with technical and terrain parameters on the basis of graph theory. The basemap for wireless sensor network visulization was selected during the eye-tracking experiment. The communication protocols were developed and tested. The nodes were situated on wooden bars in two clusters within the city. The first cluster was located in the center of Olomouc City, in the Faculty of Science Campus. The second cluster was situated in the uptown part of the city, in Scientific Park of Palacký University. Technical parameters of nodes were tested. These technical parameters included definition of the communication least loaded channel in the 2.4 GHz range, definition of battery consumption under different scenarios, determination of Received Signal Strengh Indication (RSSI) using anntenas with different capacity, determination of data delivery ratio (DDR). Thematic part of data was evaluated. The attention was aimed at comparison of measured values with etalon data. Sensors connected to Smart Environment nodes were less equal and suitable for measurements than sensors connected to the other models. Temperature and humidity data from the clusters showed the average variability of temperature and humidity values in the two Olomouc clusters. Chemical sensors were not calibrated so that they showed relative data comparable only within the concrete sensor. Trends in the course of the concrete sensor values can be discovered. Combination of this data with wind speed and direction values is the demanded part because these plots model the situation and shows the sectors with the highest pollution.

Klíčová slova

Bezdrátová senzorová síť, parametry bezdrátové senzorové sítě, rozložení uzlů v terénu, senzory

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 30. 5. 2017

Obhajoba závěrečné práce

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Geografie / Geoinformatika a kartografie