L'article présente notre expérience dans le développement d'une solution de surveillance de la qualité de l'air dans les villages à l'aide d'un réseau d'éco-capteurs et la fourniture d'informations en temps réel aux utilisateurs sur la base des solutions techniques Advantech.
Les villes intelligentes et le problème de la pollution atmosphérique
Plus de 74% de la population russe vit dans les grandes villes et la croissance démographique urbaine se poursuit. La forte densité de population et la production s'accompagnent d'une détérioration de la qualité de l'air atmosphérique. Les principales sources sont: l'industrie, l'énergie thermique et le transport automobile. Selon l'Organisation mondiale de la santé, le contaminant le plus dangereux est la poussière fine, car elle pénètre dans les poumons en respirant et n'est pas excrétée tout au long de la vie.
Selon la recherche NAFI en 2019, environ
71% des citoyens estiment que la situation environnementale est infructueuse et l'attribuent aux émissions des véhicules et de l'industrie. Le problème est l'identification en temps opportun des sources locales de pollution.
L'une des tâches du projet national «Economie numérique» pour 2019-2024. est la transformation des secteurs prioritaires de l'économie et de la sphère sociale, y compris l'économie urbaine, par l'introduction de technologies numériques et de solutions de plate-forme, principalement de développement domestique. Dans le cadre de ce projet, le 04.03.2019, le ministère de la Construction et du Logement et des Services communaux a approuvé la norme
Smart City , qui contient une liste d'activités mises en œuvre dans le cadre de la numérisation de l'économie urbaine.
La norme implique la mise en œuvre de solutions dans les villes de plus de 100 000 habitants dans 28 directions, parmi lesquelles la direction «Système de surveillance de l'air en ligne», qui implique des mesures menant à une sécurité environnementale accrue, garantissant le contrôle de l'état de la qualité de l'air et l'administration des recettes budgétaires de la ville en termes de protection de l'environnement, augmenter le niveau d'attractivité de la ville pour les citoyens.
Dans le cadre du projet national «Ecologie», dont le
passeport a été approuvé par une décision du Présidium du Conseil présidentiel pour le développement stratégique et les projets nationaux du 12.24.2018, le projet fédéral «
Clean Air » est mis en œuvre, visant à améliorer la qualité de l'air atmosphérique dans 12 centres industriels avec une diminution le degré de pollution de l'air au niveau «augmenté», déterminé conformément aux recommandations du
RD 52.04.667-2005 .
Selon la tâche 1.5 de ce projet, l'intégration des données du réseau modernisé d'observation de l'État et des systèmes territoriaux et locaux de surveillance de la qualité de l'air est attendue. Cela peut permettre d'identifier les sources locales de pollution atmosphérique et de contrôler les émissions à partir des données de qualité de l'air obtenues par un réseau de capteurs dense à haute résolution spatiale.
Cependant, les résidents des petites villes ne sont pas impliqués dans ces projets fédéraux à grande échelle et ne peuvent compter que sur leurs propres ressources. Malgré le fait que la qualité de l'air dans les établissements éloignés des centres industriels est beaucoup plus élevée, néanmoins, les problèmes d'identification rapide des sources locales de pollution sont aussi aigus que dans les zones densément peuplées.
Réseau de capteurs pour la surveillance de la qualité de l'air
La mise en place d'éco-capteurs dans les infrastructures du village et dans les lieux de loisirs de masse vous permet d'assurer le contrôle de la qualité de l'air, d'améliorer la sécurité environnementale en informant les habitants, les autorités locales et les autorités réglementaires. Grâce à la plateforme numérique
WISE-PaaS , il est possible de collecter des données à partir d'éco-capteurs, d'analyser leur variabilité et de prédire les risques de pollution de l'air. Tout cela conduit à une augmentation de la qualité de vie et de l'attractivité du village pour les résidents et les invités.
Les capteurs eux-mêmes sont, en fait, le lien de connexion entre le monde réel et son homologue numérique, mis en œuvre à l'aide du matériel Advantech. Ils mesurent la teneur en poussière dans l'air, sa température, forment des paquets de messages et les envoient sans fil dans la plage de 868 MHz, conformément au protocole LoRaWAN, à la station de base, où les données sont regroupées dans des messages texte JSON puis envoyées au protocole MQTT pour Plateforme numérique
WISE-PaaS , où elle est déjà traitée par le serveur d'applications.
En tant que passerelle LoRa, nous utilisons l'appareil
WISE-6610 fabriqué par la succursale tchèque d'Advantech. Il s'agit d'un appareil assez compact monté sur un rail DIN ou un mur, avec des connecteurs pour connecter une antenne externe, un LAN et une alimentation. En fait, sur les quatre contacts du connecteur d'alimentation, seuls deux sont utilisés: rouge (+) et noir (-). Par défaut, la passerelle fonctionne en mode routeur et son module LoRa est désactivé. Pour activer l'appareil, vous devez vous y connecter via un câble Ethernet et dans la barre d'adresse du navigateur, spécifiez l'adresse via laquelle l'interface Web des paramètres de la passerelle est disponible:
http://192.168.1.1
À la demande d'autorisation, spécifiez les paramètres par défaut (login: root, mot de passe: root) et accédez à l'interface illustrée sur la figure.
Ici, l'élément «User Modules» est le plus intéressant, à travers lequel vous pouvez configurer la passerelle LoRa et le serveur Node-RED local. Nous allons dans les paramètres de la passerelle LoRa, où nous pouvons activer le module LoRa, spécifier les fréquences des canaux radio de la passerelle LoRa, définir les paramètres de fonctionnement du serveur de réseau et configurer le transfert des messages vers le courtier MQTT en spécifiant l'hôte, le port, le nom d'utilisateur et le mot de passe.
Il ne reste plus qu'à lier les éco-capteurs à la passerelle LoRa. Pour ce faire, nous utilisons la méthode ABP (Activation par personnalisation). Nous allons dans le panneau des paramètres du serveur réseau:
https://192.168.1.1:8443
sélectionnez "Devices-Activated (Nodes)", cliquez sur le bouton "+ Create" et dans la fenêtre qui apparaît, spécifiez trois paramètres: NwkSKey (clé réseau), AppSKey (clé d'application), DevAddr (adresse du capteur). Nous indiquons les mêmes paramètres dans les réglages de l'éco-capteur.
Pour connecter le
WISE-6610 au réseau local, vous devez le mettre en mode client DHCP. Après cela, l'appareil détectera lui-même un serveur DHCP sur le réseau local pour obtenir une adresse IP et se connecter à Internet. Cela se fait via l'interface Web principale: sélectionnez l'élément de menu «Configuration-LAN» et indiquez «activé» dans le champ «Client DHCP».
Plateforme numérique WISE-PaaS
Au début de cette année, plus de 150 plateformes numériques pour l'Internet des objets sont connues. Chacun d'eux a ses propres caractéristiques, avantages et inconvénients. L'utilisation de la plateforme
WISE-PaaS vous permet de résoudre le problème de la collecte et de la visualisation des données du réseau de capteurs.
Le traitement des données des capteurs sur la plateforme numérique
WISE-PaaS s'effectue en plusieurs étapes:
- recevoir des messages JSON de la passerelle LoRa par le courtier MQTT et les transmettre à l'application;
- Réception des messages JSON par script Python, traitement des données et écriture dans la base de données;
- enregistrer, stocker et fournir des données à l'aide du SGBD PostgreSQL;
- visualisation des données à l'aide de WISE-PaaS / Dashboard ;
Lors de la création d'un nouvel espace virtuel sur WISE-PaaS, le courtier MQTT RabbitMQ est lancé par défaut et est visible dans la liste des services disponibles. Les paramètres du courtier (hôte, port, nom d'utilisateur, mot de passe) peuvent être obtenus via l'interface Web.
Pour créer une application qui reçoit les données de mesure du courtier MQTT et les écrit dans la base de données, vous pouvez utiliser des instructions pas à pas basées sur un exemple préparé par Advantech.
Créez un répertoire de travail:
mkdir ~/wisepaas/
Allez-y:
cd ~/wisepaas/
Nous clonons un exemple avec Github pour récupérer des données MQTT et écrire des données dans une base de données PostgreSQL:
git clone https://github.com/WISE-PaaS/example-py-iothub-postgresql.git
La préparation de l'application exécutable index.py consiste à remplacer les valeurs de plusieurs paramètres par les valeurs réelles spécifiées dans le panneau de configuration 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("#") …
Le fichier
manifest.yml contient les paramètres d'application: nom, taille de la RAM disponible, quota de disque, commande de lancement d'application, liste des services utilisés.
--- applications: - name: py-postgresql-meteolab memory: 256MB disk_quota: 256MB buildpack: python_buildpack command: python index.py services: - rabbitmq
Connexion de l'utilisateur
utilisateur avec mot de
passe et mot de
passe au serveur
api.wise-paas.io à l'aide du client CloudFoundry:
cf login -a api.wise-paas.io -u user@advantech.com -p password
Vérifiez la connectivité client à CloudFoundry:
cf target
Copie de l'application sur le serveur sans démarrer:
cf push py-postgresql-meteolab --no-start
Liaison de l'application à la base de données avec le groupe:
cf bs py-postgresql-meteolab postgresql -c '{\"group\":\"groupname\"}'
Liaison d'une application à un courtier MQTT:
cf bs py-postgresql-meteolab rabbitmq
Exécution de l'application sur le serveur:
cf start py-postgresql-meteolab
Le contrôle du fonctionnement de l'application s'effectue en consultant le journal d'exécution de l'application:
cf logs py-postgresql-meteolab --recent
Il est pratique de copier toutes les variables d'environnement d'application dans un fichier JSON local:
cf env py-postgresql-meteolab > env.json
Le serveur PostgreSQL est également démarré par défaut lors de la création d'espace virtuel. Étant donné que WISE-PaaS ne possède pas d'interface Web pour gérer les bases de données, il est donc nécessaire d'installer une sorte de client, par exemple, pgAdmin. Ensuite, des tables de base de données sont créées et le processus d'enregistrement des données des capteurs à l'aide de l'interface Web est contrôlé.
Outils de visualisation des informations
La plateforme numérique
WISE-PaaS comprend
WISE-PaaS / Dashboard , qui vous permet de créer des panneaux graphiques contenant un nombre arbitraire de blocs avec différentes options d'affichage. Cela peut être du texte, des graphiques, des graphiques, des cartes, etc.
Les blocs sont configurés via le menu "Edition". La source des données affichées est une requête SQL vers la base de données. De plus, il existe différentes options configurables pour régler l'affichage dans le menu «Modifier».
Pour un réglage plus fin, vous pouvez utiliser le «panneau JSON», qui vous permet de modifier les paramètres au format JSON. Cela est parfois nécessaire, car tous les paramètres ne peuvent pas être modifiés via le panneau «Modifier».
Chaque panneau a des paramètres communs. Ici, vous pouvez définir le nom du panneau, sa description, attribuer des balises, définir des paramètres horaires, modifier l'arrière-plan.
De plus, WISE-PaaS / Dashboard a des paramètres communs pour tous les panneaux. Ici, vous pouvez ajouter une source de données, gérer des groupes et des utilisateurs, gérer des plugins (ajouter, activer, supprimer), télécharger des images et bien plus encore.
Conclusion
L'utilisation d'un système de surveillance de la qualité de l'air dans un village de chalets vous permet d'identifier rapidement les sources de pollution, de planifier le nettoyage des rues et, à terme, d'améliorer la qualité de vie des gens. Intégration de ce système aux systèmes de vidéosurveillance, contrôle et gestion des accès, l'éclairage public vous permet de créer des solutions numériques «intelligentes» qui augmentent l'efficacité de fonctionnement du village de chalets.
L'article a été préparé par une équipe (V.V. Chukin, T.A. Lipatov, A.Yu Ermakov) de
MeteoLab sur la base des résultats des travaux dans le cadre du concours
Advantech AIoT Developer InnoWorks 2019 . Les auteurs de l'article sont toujours heureux de répondre aux questions et d'examiner les propositions via le
formulaire de retour d'informations , ainsi que d'appliquer l'expérience acquise avec la plateforme
Advantech WISE-PaaS dans des projets de transformation numérique de la production et de développement du personnel.