With air pollution escalating worldwide new approaches are required to enable individual air quality monitoring. In this work the Smart Bike Assistant, a mobile device capable of measuring the most common urban pollutants, namely carbon monoxide, nitrogen dioxide and particulate matter, has been developed with focus on urban bicycle commuters as target users. A customized printed circuit board has been designed that houses the microcontroller and sensors on a small base area of 48x34mm2. By installing the Arduino Micro’s bootloader onto the embedded microcontroller, the convenience of the Arduino environment could be combined with the advantages of a lean customized system. Selecting only low-cost and standard components the parts costs total roughly 30USD at a device weight of less than 40 grams. The installed carbon monoxide, nitrogen dioxide sensors have been calibrated using professional laboratory instruments to pollutant concentration in the expected range. Due to unavailability of adequate equipment, temperature and humidity dependent calibration has not been carried out thus far. The employed dust sensor has been calibrated against the data of a related research paper. [25] De-noising steps and temperature and drift coefficients applied ensure a more reliable output signal. The board furthermore comprises a temperature and humidity sensor and uncalibrated ozone sensor. Additionally a casing concept has been developed that allows convenient mounting of the device on a bicycle and protection against environmental influences. Therefore special consideration has been given to allowing a proper air flow through the device. This is necessary to reduce response time and distortion of the gas sensor readings. To provide a comprehensible feedback the raw sensor readings are converted into values of the standardized Air Quality Index and forwarded to an Android device. The data transfer is established through a Serial USB connection from the device to an Android smartphone. Accordingly the SBA does not require a battery, since it is powered by the hosting smartphone. Besides a simple readout the customized Android application allows uploading of the sensor data and derivation of a rudimentary pollution map. At a later stage the application will be equipped with further features, such as gathering pollution data from nearby public measurement stations or implementation of an incentive scheme for active users. In a field test the general feasibility of the concept has been proven. Constraints have been discovered considering the conducted electrochemical gas sensor calibration. Low ambient temperatures led to a large offset with the CO sensors. This issue can be addressed by more sophisticated multi-point calibration in the future. Due to the project’s substantial extent, this work has the nature of a groundwork and leaves several challenges open for further development in the field of hardware as well as software. A larger field study with voluntary cyclists at a later stage will allow identifying the SBA’s performance at realistic conditions.
본 연구에서는 일산화탄소, 이산화질소와 미세먼지 등의 도시 대기 오염의 원인이 되는 대표적인 물질들을 측정할 수 있는 Smart Bike Assistant라는 도시의 자전거 이용자를 위한 휴대용 장비 기기가 개발되었다. 먼저 이를 위하여 다양한 디자인 제한 요소들을 고려한 전기 회로가 특수 제작되었다. 여기에 마이크로 컨트롤러와 센서를 약 48x34 mm2의 작은 공간에 집적할 수 있었다. 저가이며 필수적인 부품만을 선택하여 제작 가격은 총 30달러가 소요되었다. 설치된 일산화탄소, 이산화질소 측정 센서는 전문적 실험 장비를 통해 예상 가능한 범위의 오염 정도를 측정하기 위한 보정이 실행되었다. 현재 사용 가능한 장비의 한계로 위 센서의 온도와 습도에 대한 보정은 실행되지 않았다. 그리고 먼지 센서는 관련된 논문의 데이터를 통해 보정되었다. 신호처리에 있어서 디-노이징과 온도 및 드리프트 계수를 적용하여 더욱 신뢰성 있는 결과 신호를 얻고자 하였다. 센서 보드는 앞선 센서에 추가적으로 온도 센서, 습도 센서 그리고 보정되지 않은 오존 센서로 구성하였다. 추가적으로 자전거에 장비를 부착하는 편리성과 다른 외부 환경으로부터의 보호를 할 수 있도록 케이싱이 고안되었다. 케이싱은 장비 내부로 외부 공기가 충분히 유입될 수 있도록 디자인이 고려되었다. 이를 통해 가스 센서의 반응 속도를 빠르게 하고 센서 신호의 왜곡을 막고자 하였다. 센서에서 수집된 기초 데이터를 통하여 사용자가 이해할 수 있는 표준 대기오염지수로 나타내는 과정이 안드로이드 디바이스를 통해 이루어졌다. 디바이스와 안드로이드 스마트폰의 USB 연결을 통해 데이터 전송이 이루어졌다. 그리고 안드로이드 어플리케이션 개발로 센서의 데이터를 업로드하고 이를 통하여 가장 기본적인 오염 지도를 나타낼 수 있도록 하였다. 현장 실험을 통해 이 컨셉트의 실현 가능성을 증명하였다. 이 프로젝트는 상당한 규모를 갖고 있으므로 초기 기초적인 작업이 필요하였으며 앞으로 소프트웨어 및 하드웨어의 추가적인 개발이 필요할 것이다.
