Актуальність теми. Індустріалізація з 1960х років призвела до стрімкого росту урбанізації населення. За оцінкою світового банку на основі даних Відділу народонаселення [1] ООН - 55% (4.3 мільярди людей) населення планети проживає в урбанізований місцевості. Тенденція є позитивною, та відсоток буде зростати й надалі. Це призводить до підвищення антропогенного впливу на навколишнє середовище. Будівництво нових промислових підприємств, збільшення кількості транспорту, використання викопних паливних ресурсів. 80% світової енергії виробляється з викопних паливних ресурсів [2]. Ці фактори спричиняють підвищенню концентрації шкідливих речовин в складі в атмосфері, зміну глобальної температури.
Масове використання систем віддаленого моніторингу показників атмосфери є ефективним способом для виявлення джерел змін довкілля. Об’єми зібраної інформації дозволяють виконувати аналіз та прогнозування трендів змін як в глобальних, так і локальних масштабах урбанізованих територій, для впровадження засобів протидії джерелам шкідливих викидів.
Розробки в даній сфері дозволяють збирати великі об’єми даних на широких площах з великою щільністю для використання як в глобальних дослідженнях, так і для впровадження законодавчих норм викидів на території міст, попередження громадян про перевищення допустимих показників забруднення в глобальних масштабах для забезпечення їх максимального комфорту проживання.
Встановлення систем на підприємствах для контролю мікроклімату та забруднення дозволить знизити негативний вплив на здоров’я та працездатність робітників, надійності устаткування, тощо. Зібрані дані аналізу протягом певного періоду дозволять проаналізувати проблеми на виробництві, для прийняття рішень по їх усуненню.
Існуючі засоби моніторингу в Україні не забезпечують достатньої щільності моніторингу, та доступності отриманих даних для подальшого аналізу, а системи для підприємств є дороговартісними та складними в монтажі. Тому розробка системи віддаленого моніторингу довкілля є актуальним завданням яке визначило напрям дослідження.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка автоматизованої системи дистанційного моніторингу для спостереження параметрів навколишнього середовища з метою покращення екологічного стану, та зниження негативного впливу шкідливих речовин на населення, що проживає на урбанізованих територіях.
Для досягнення поставленої мети роботи потрібно вирішити ряд завдань:
– провести огляд наукової літератури по темі наукового дослідження, розглянути існуючі розробки в сфері дистанційного моніторингу;
– розробити структурну схему інформаційно-вимірювальної системи для контролю показників навколишнього середовища;
– спроектувати структурну схему апаратного блоку системи моніторингу та здійснити розробку його принципової електричної схеми;
– спроектувати структурну схему алгоритму роботи програмної частини апаратного блоку системи та серверної частини системи;
– провести проектування бази даних для збереження результатів моніторингу;
– розробити програмне забезпечення для апаратної та серверної частини системи;
Об’єкт дослідження – процес контролю стану навколишнього середовища.
Предмет дослідження – програмно-апаратні методи та засоби створення систем віддаленого моніторингу та збору даних.
Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач проведено аналіз інформації про існуючі розробки в сфері віддаленого моніторингу, ознайомлення з теоретичним матеріалом, проведення порівняльного аналізу компонентів системи, програмування, налагодження та практичне тестування розробленої системи.
Наукова новизна отриманих результатів. Результатом розробки є системне рішення для моніторингу, збереження, аналізу та розповсюдження зібраних даних. Новизна створеної система полягає в можливості інтеграції сторонніх сервісів, як апаратних – для збору даних, так і програмних – для аналізу та розповсюдження збережених даних.
Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в тому що отриману систему можна інтегрувати з уже існуючими системами моніторингу, додавати готові апаратні рішення для збільшення джерел зібраної інформації, так і інтегрувати зібрані дані в системи аналізу для подальшої обробки та прийняття мір по скороченню викидів в навколишнє середовище, покращуючи життя людей. Система веде комунікацію по розповсюдженому веб протоколу Https REST API, що спрощує реалізації інтеграцій. Це все може слугувати ефективним інструментом уряду та профільних організацій для покращення показників екологічного стану навколишнього середовища.
Публікації. За використанням отриманих в кваліфікаційній роботі магістра було опублікована робота конференції «АВТОМАТИЗОВАНА ДИСТАНЦІЙНА СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА» у збірнику матеріалів XIX Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Ефективність та автоматизація інженерних рішень у приладобудуванні».
Структура роботи. Кваліфікаційна робота магістра складається з пояснювальної записки та графічних матеріалів. Пояснювальна записка містить вступ, 4 розділи, висновки, список використаних джерел та додатки. Обсяг роботи: пояснювальна записка – 115 аркушів формату А4, графічна частина – 5 аркушів формату А1.
Керівник: доц., к.т.н. Богдан Г.А.
Повний текст дисертації (.pdf)
Повний перелік магістерських дисертацій
Перелік літературних посилань
1. Urbanization. The world population is moving to cities. Why is urbanization happening and what are the consequences? Hannah Ritchie and Max Roser. November 2019. https://ourworldindata.org/urbanization
2. Environmental and Energy Study Institute (EESI). Fossil Fuels. July 22, 2021. https://www.eesi.org/topics/fossil-fuels/description
3. World Health Organization. Ambient air pollution. https://www.who.int/data/gho/data/themes/topics/indicator-groups/indicator-group-details/GHO/ambient-air-pollution
4. Global Monitoring Laboratory. Carbon Cycle Greenhouse Gases. Trends in Atmospheric Carbon Dioxide. Monthly Average Mauna Loa CO2. https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/
5. Earth System Science Data. Global Carbon Budget 2019. 04 Dec 2019. https://essd.copernicus.org/articles/11/1783/2019/essd-11-1783-2019.html
6. Our World In Data. Global fossil fuel consumption. https://ourworldindata.org/grapher/global-fossil-fuel-consumption
7. SaveEcoBot. https://www.saveecobot.com/maps#8
8. Живага В. В., Малахова М. О., Шевченко Д. О. Система моніторингу якості повітря на базі IoT. Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна серія «Математичне моделювання. Інформаційні технології. Автоматизовані системи управління». Вип. 49. 2021. С. 49-57.
9. Бахарєв В. С., Маренич А. В. Аналітичний огляд результатів наукових досліджень з проблем моніторингу довкілля в Україні. Екологічна безпека, № 2. 2016. С. 35-42.
10. Chaudhryl V. Arduair: Air Quality Monitoring. International Journal of Environmental Engineering and Management. 2013. P. 639-646.
11. Путренко В. В., Назаренко С. Ю. Визначення якості повітря на основі інтелектуального аналізу даних дистанційного зондування. Математичне моделювання в економіці. №3-4. 2016. С. 176-187.
12. Parmar G., Lakhani S., Chattopadhyay M. An IoT based low cost air pollution monitoring system. International Conference on Recent Innovations in Signal processing and Embedded Systems (RISE). 2017. P. 524-528.
13. Zhao Y. L., Tang J., Huang H. P., Wang Z., Chen T. L., Chiang C. W., Chiang P. C. Development of IoT Technologies for Air Pollution Prevention and Improvement. Aerosol and Air Quality Research. 2020. P. 2874-2888.
14. Мокін В. Б., Собко Б. Ю., Дратований М. В., Крижановський Є. М., Горячев Г. В. Створення інформаційної системи моніторингу забруднення атмосферного повітря міста на основі технології Інтернет речей. Вісник Вінницького політехнічного інституту. № 3. 2017. С. 49-58.
15. JunHo J., ByungWan J., JungHoon K., SungJun K., WoonYong H. Development of an IoT-Based Indoor Air Quality Monitoring Platform. Journal of Sensors. Vol. 2020. P. 1-14.
16. Okokpujie K., Noma-Osaghae E., Modupe O., John S., Oluwatosin O. A smart air pollution monitoring system. International Journal of Civil Engineering and Technology. Vol. 9. 2018. P. 799–809.
17. Іванюк О. О., Влах-Вигриновська Г. І., Близнюк А. М., Сапіга І. В. Система виявлення та очищення приміщення від шкідливих газів на базі технології інтернету речей. Автоматика, вимірювання та керування. Т. 2, № 1 (2). 2020. С. 40-48.
18. ESPRESSIF SMART CONNECTIVITY PLATFORM: ESP8266 Espressif Systems Oct 12, 2013 p. 5-8. https://nurdspace.nl/images/e/e0/ESP8266_Specifications_English.pdf
19. MQ135 Datasheet - Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd. 2015-03-10. P.4-7
20. GP2Y1010AU0F Datasheet - Sharp Corporation Dec. 1. 2006. p.2-6.
21. Теоретичні основи ультразвукового неруйнівного контролю [Електронний ресурс]: підручник для здобувачів ступеня бакалавра за освітньою програмою «Комп’ютерноінтегровані технології та системи неруйнівного контролю і діагностики» спеціальності «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» / Р. М. Галаган; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові данні (1 файл: 5,12 Мбайт). – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2019. – 263 с. Гриф надано Вченою радою КПІ ім. Ігоря Сікорського (протокол № 3 від 11.03.2019 р.)
22. Цапенко В.К. Основи ультразвукового неруйнівного контролю / В.К. Цапенко, Ю.В. Куц. – Київ: НТУУ «КПІ», 2009. – 431 с.
23. Богдан Г.А., Глущенко М.О. Загальні тенденції побудови автоматизованих систем моніторингу якості повітря на промислових підприємствах Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: Технічні науки. – 2023. – Том. 34 (73), №4. – С. 12-17. DOI https://doi.org/10.32782/2663-5941/2023.4/03
24. Богдан Г.А., Глущенко М.О. Оптичний датчик чадного газу. Х Міжнародна науково-технічна конференція «ДАТЧИКИ, ПРИЛАДИ ТА СИСТЕМИ – 2023», присвячена пам‘яті професора Шарапова В.М., 12 - 14 вересня 2023 року, м. Черкаси, Україна : збірник праць. – Черкаси, 2023. – С. 52–53
25. Богдан Г.А., Глущенко М.О. Система попередження пожеж. XXIІ Міжнародна науково-технічна конференція "Приладобудування: стан і перспективи", 16-17 травня 2023р., м. Київ, Україна : збірник тез доповідей. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. – С. 234–236.
26. Антонюк В.С. Методологія наукових досліджень: [Текст] : навч. посіб./ В.С. Антонюк, Л.Г. Полонський, В.І. Аверченков, Ю.А. Малахов. – К.: НТУУ «КПІ», 2015. – 276 с.
27. Комп’ютерне моделювання процесів та систем. Чисельні методи [Електронний ресурс] : підручник для здобувачів ступеня бакалавра за спеціальністю «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» / С. П. Вислоух, О. В. Волошко, Г. С. Тимчик, М. В. Філіппова ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові дані (1 файл 37,37 МБайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. – 228 с. – Назва з екрана.
28. Лесковець Б.В. Автоматизована система дистанційного моніторингу стану навколишнього середовища / Б.В. Лесковець, Г.А. Богдан // ХIХ Науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених «Ефективність та автоматизація інженерних рішень у приладобудуванні», 20-21 грудня 2023 р., м. Київ, Україна : збірник праць конференції. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. – С. 359-361.
29. Петрик, В.Ф. Використання серійних мобільних пристроїв при проектуванні портативних дефектоскопів / Петрик В.Ф., Протасов А.Г., Серый К.Н., Повшенко А.А. // Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: технічні науки. – 2019. - Том 30 (69), Ч. 2, № 6. - C.12-16. DOI https://doi.org/10.32838/2663-5941/2019.6-2/03
