El artículo presenta nuestra experiencia en el desarrollo de una solución para monitorear la calidad del aire en las aldeas utilizando una red de sensores ecológicos y brindando información en tiempo real a los usuarios basada en las soluciones técnicas de Advantech.
Las ciudades inteligentes y el problema de la contaminación del aire.
Más del 74% de la población de Rusia vive en grandes ciudades y el crecimiento de la población urbana continúa. La alta densidad de población y la producción van acompañadas de un deterioro en la calidad del aire atmosférico. Las principales fuentes son: industria, energía térmica y transporte de automóviles. Según la Organización Mundial de la Salud, el contaminante más peligroso es el polvo fino, ya que ingresa a los pulmones al respirar y no se excreta durante toda la vida.
Según la investigación de NAFI en 2019, aproximadamente el
71% de los ciudadanos consideran que la situación ambiental no es exitosa y lo atribuyen a las emisiones de los vehículos y la industria. El problema es la identificación oportuna de las fuentes locales de contaminación.
Una de las tareas del proyecto nacional "Economía digital" para 2019-2024. es la transformación de sectores prioritarios de la economía y el ámbito social, incluida la economía urbana, a través de la introducción de tecnologías digitales y soluciones de plataforma, principalmente del desarrollo interno. En el marco de este proyecto, el 04.03.2019, el Ministerio de Construcción y Vivienda y Servicios Comunales aprobó el estándar
Smart City , que contiene una lista de actividades implementadas como parte de la digitalización de la economía urbana.
El estándar implica la implementación de soluciones en ciudades con una población de más de 100 mil personas en 28 direcciones, entre las cuales se encuentra la dirección "Sistema de monitoreo de aire en línea", que implica medidas que conducen a una mayor seguridad ambiental, asegurando el control sobre el estado de la calidad del aire y la administración de los ingresos del presupuesto de la ciudad en términos de protección del medio ambiente, aumentando el nivel de atractivo de la ciudad para los ciudadanos.
En el marco del proyecto nacional "Ecología", cuyo
pasaporte fue aprobado por una decisión del Presidium del Consejo Presidencial para el Desarrollo Estratégico y Proyectos Nacionales el 24/12/2018, se está implementando el proyecto federal "
Aire limpio ", destinado a mejorar la calidad del aire atmosférico en 12 centros industriales con una disminución el grado de contaminación del aire al nivel de "aumento", determinado de acuerdo con las recomendaciones del
RD 52.04.667-2005 .
De acuerdo con la tarea 1.5 de este proyecto, se espera la integración de datos de la red de observación estatal modernizada, los sistemas territoriales y locales para monitorear la calidad del aire. Esto puede permitir identificar las fuentes locales de contaminación del aire y controlar las emisiones en función de los datos de calidad del aire obtenidos por una red de sensores densos con alta resolución espacial.
Sin embargo, los residentes de pequeñas ciudades y pueblos no están involucrados en estos proyectos federales a gran escala y solo pueden confiar en sus propios recursos. A pesar de que la calidad del aire en los asentamientos alejados de los centros industriales es mucho mayor, sin embargo, los problemas de identificar rápidamente las fuentes locales de contaminación son tan graves como en las zonas densamente pobladas.
Red de sensores para monitoreo de calidad del aire
La colocación de sensores ecológicos en las instalaciones de infraestructura de la aldea y en lugares de recreación masiva le permite garantizar el control de la calidad del aire, mejorar la seguridad ambiental al informar a los residentes, las autoridades locales y las autoridades reguladoras. Usando la plataforma digital
WISE-PaaS , es posible recopilar datos de eco-sensores, analizar su variabilidad y predecir los riesgos de contaminación del aire. Todo esto lleva a un aumento en la calidad de vida y el atractivo del pueblo para los residentes e invitados.
Los sensores en sí son, de hecho, el enlace de conexión entre el mundo real y su contraparte digital, implementados con el hardware Advantech. Miden el contenido de polvo en el aire, su temperatura, forman paquetes de mensajes y los envían de forma inalámbrica en el rango de 868 MHz, de acuerdo con el protocolo LoRaWAN, a la estación base, donde los datos se empaquetan en mensajes de texto JSON y luego se envían al protocolo MQTT para
Plataforma digital
WISE-PaaS , donde ya es procesada por el servidor de aplicaciones.
Como puerta de enlace LoRa, utilizamos el dispositivo
WISE-6610 fabricado por la sucursal checa de Advantech. Este es un dispositivo bastante compacto montado en un riel DIN o en la pared, con conectores para conectar una antena externa, LAN y alimentación. De los cuatro contactos del conector de alimentación, de hecho, solo se utilizan dos: rojo (+) y negro (-). Por defecto, la puerta de enlace funciona en modo enrutador y su módulo LoRa está apagado. Para activar el dispositivo, debe conectarse a él a través de un cable Ethernet y en la barra de direcciones del navegador especifique la dirección a través de la cual está disponible la interfaz web de configuración de la puerta de enlace:
http://192.168.1.1
En la solicitud de autorización, especifique los parámetros predeterminados (inicio de sesión: root, contraseña: root) y acceda a la interfaz que se muestra en la figura.
Aquí, el elemento "Módulos de usuario" es de gran interés, a través del cual puede configurar la puerta de enlace LoRa y el servidor local Node-RED. Entramos en la configuración de la puerta de enlace LoRa, donde podemos habilitar el módulo LoRa, especificar las frecuencias de los canales de radio de la puerta de enlace LoRa, establecer los parámetros de operación del servidor de red y configurar la transferencia de mensajes al agente MQTT especificando el host, el puerto, el nombre de usuario y la contraseña.
Solo queda vincular los sensores ecológicos a la puerta de enlace LoRa. Para hacer esto, utilizamos el método ABP (Activación por personalización). Vamos al panel de configuración del servidor de red:
https://192.168.1.1:8443
seleccione "Dispositivos activados (nodos)", haga clic en el botón "+ Crear" y en la ventana que aparece especifique tres parámetros: NwkSKey (clave de red), AppSKey (clave de aplicación), DevAddr (dirección del sensor). Indicamos los mismos parámetros en la configuración del eco-sensor.
Para conectar el
WISE-6610 a la red local, debe ponerlo en modo cliente DHCP. Después de eso, el dispositivo detectará un servidor DHCP en la red local para obtener una dirección IP y conectarse a Internet. Esto se realiza a través de la interfaz web principal: seleccione el elemento de menú "Configuración-LAN" e indique "habilitado" en el campo "Cliente DHCP".
Plataforma digital WISE-PaaS
A principios de este año, se conocen más de 150 plataformas digitales para Internet de las cosas. Cada uno de ellos tiene sus propias características, ventajas y desventajas. El uso de la plataforma
WISE-PaaS le permite resolver el problema de recopilar datos de la red de sensores y visualizarlos.
El procesamiento de datos de sensores en la plataforma digital
WISE-PaaS se lleva a cabo en varias etapas:
- recibir mensajes JSON de la puerta de enlace LoRa por el agente MQTT y reenviarlos a la aplicación;
- Recepción de mensajes JSON por Python-script, procesamiento de datos y escritura en la base de datos;
- registrar, almacenar y proporcionar datos utilizando PostgreSQL DBMS;
- visualización de datos usando WISE-PaaS / Dashboard ;
Al crear un nuevo espacio virtual en WISE-PaaS, el intermediario MQTT RabbitMQ se inicia de forma predeterminada y está visible en la lista de servicios disponibles. Los parámetros del intermediario (host, puerto, nombre de usuario, contraseña) se pueden obtener a través de la interfaz web.
Para crear una aplicación que reciba datos de medición del agente MQTT y los escriba en la base de datos, puede usar instrucciones paso a paso basadas en un ejemplo preparado por Advantech.
Crea un directorio de trabajo:
mkdir ~/wisepaas/
Ve a ella:
cd ~/wisepaas/
Estamos clonando un ejemplo con Github para recuperar datos MQTT y escribir datos en una base de datos PostgreSQL:
git clone https://github.com/WISE-PaaS/example-py-iothub-postgresql.git
La preparación de la aplicación ejecutable index.py consiste en cambiar los valores de varios parámetros a los valores reales especificados en el Panel de control WISE-PaaS.
… # MQTT(rabbitmq) service_name = 'p-rabbitmq-innoworks' … # Postgresql service_name = 'postgresql-innoworks' … schema = 'projectname' table = 'tablename' group = 'groupname' … def on_connect(client, userdata, flags, rc): client.subscribe("#") …
El archivo
manifest.yml contiene parámetros de la aplicación: nombre, tamaño de RAM disponible, cuota de disco, comando de inicio de la aplicación, lista de servicios utilizados.
--- applications: - name: py-postgresql-meteolab memory: 256MB disk_quota: 256MB buildpack: python_buildpack command: python index.py services: - rabbitmq
Conexión de usuario
usuario con contraseña
contraseña al servidor
api.wise-paas.io utilizando el cliente CloudFoundry:
cf login -a api.wise-paas.io -u user@advantech.com -p password
Verifique la conectividad del cliente con CloudFoundry:
cf target
Copiar la aplicación al servidor sin iniciar:
cf push py-postgresql-meteolab --no-start
Vinculando la aplicación a la base de datos con el grupo:
cf bs py-postgresql-meteolab postgresql -c '{\"group\":\"groupname\"}'
Enlace de una aplicación a un intermediario MQTT:
cf bs py-postgresql-meteolab rabbitmq
Ejecutando la aplicación en el servidor:
cf start py-postgresql-meteolab
El control de la operación de la aplicación se lleva a cabo verificando el registro de ejecución de la aplicación:
cf logs py-postgresql-meteolab --recent
Es conveniente copiar todas las variables de entorno de la aplicación en un archivo JSON local:
cf env py-postgresql-meteolab > env.json
El servidor PostgreSQL también se inicia de manera predeterminada al crear espacio virtual. Dado que WISE-PaaS no tiene una interfaz web para administrar bases de datos, es necesario instalar algún tipo de cliente, por ejemplo, pgAdmin. Luego, se crean tablas de bases de datos y se controla el proceso de registro de datos de sensores utilizando la interfaz web.
Herramientas de visualización de información
La plataforma digital
WISE-PaaS incluye
WISE-PaaS / Dashboard , que le permite crear paneles gráficos que contienen un número arbitrario de bloques con diferentes opciones de visualización. Esto puede ser texto, gráficos, cuadros, mapas y más.
Los bloques se configuran a través del menú "Editar". La fuente de los datos mostrados es una consulta SQL a la base de datos. Además, hay varias opciones configurables para ajustar la pantalla en el menú "Editar".
Para un ajuste más fino, puede usar el "panel JSON", que le permite editar la configuración en formato JSON. Esto a veces es necesario, ya que todos los parámetros no se pueden editar a través del panel "Editar".
Cada panel tiene configuraciones comunes. Aquí puede establecer el nombre del panel, la descripción, asignar etiquetas, realizar ajustes de tiempo, cambiar el fondo.
Además, WISE-PaaS / Dashboard tiene configuraciones comunes para todos los paneles. Aquí puede agregar una fuente de datos, administrar grupos y usuarios, administrar complementos (agregar, activar, eliminar), cargar imágenes y mucho más.
Conclusión
El uso de un sistema de monitoreo de la calidad del aire en una aldea rural le permite identificar rápidamente las fuentes de contaminación, planificar la limpieza de las calles y, en última instancia, mejorar la calidad de vida de las personas. La integración de este sistema con los sistemas de videovigilancia, control de acceso y gestión, el alumbrado público le permite crear soluciones digitales "inteligentes" que aumentan la eficiencia de operación de la aldea rural.
El artículo fue preparado por un equipo (V.V. Chukin, T.A. Lipatov, A.Yu. Ermakov) de
MeteoLab basado en los resultados del trabajo en el marco del
concurso Advantech AIoT Developer InnoWorks 2019 . Los autores del artículo siempre están contentos de responder preguntas y considerar propuestas a través del
formulario de comentarios , así como aplicar la experiencia adquirida con la plataforma
Advantech WISE-PaaS en proyectos para la transformación digital de la producción y el desarrollo del personal.