Consair – Protopaja ELEC-D0301

IoT: Rakennustyömaan olosuhteiden seuranta

Johdanto

Rakennustyömaita voivat tyypillisesti piinata hankalat olosuhteet muun muassa ilmanlaadun osalta, mikä voi vaikuttaa haitallisesti sekä työntekijöiden terveyteen että rakentamisen laatuun. Erityyppisistä lähteistä syntyvä pöly on merkittävä terveydellinen haitta ihmisen altistuessa suurille määrille pitkään ja aiheuttaa erilaisia ongelmia, joita mikrometrien kokoluokkaa olevat pienhiukkaset tuovat tullessaan ajautuessaan hengitysteihin. Muita huomionarvoisia rakennusolosuhteiden mittareita ovat lämpötila ja ilmankosteus. Jos ilman lämpötila ja kosteus ovat liian korkeita tai liian matalia, tämä tuottaa omat ongelmansa betonin ja laastin kuivumisessa sekä mikrobien ja homeiden esiintymisessä.

Rakennustyömaita varten on jo tekniikkaa, jolla voidaan vaikuttaa ilmankiertoon ja ilmanlaatuun. Ei ole kuitenkaan vielä olemassa helppoa keinoa tarkkailla useita työmaalle olennaisia mitattavia arvoja useista huoneista samanaikaisesti ja tarkkailla näitä yksinkertaisen käyttöliittymän kautta. Me tarjosimme vastauksen tähän haasteeseen ryhmämme rakentamalla prototyypillä.

Taustaa

Ryhmämme sai aiheen prototyypille Consairilta, joka on rakennustyömaiden pölynhallintaratkaisuihin erikoistunut suomalainen yritys. Meidän odotettiin suunnittelevan ja rakentavan prototyypin laitteesta, joka mittaisi ympäristöstään ainakin pölyn määrää ja mahdollisuuden mukaan muitakin arvoja, kuten esimerkiksi lämpötilaa, ilmankosteutta, ilmanpainetta ja hiilidioksidipitoisuutta. Tämä mittausdata tulisi puolestaan lähettää joko selaimen tai mobiilin kautta toimivaan palveluun. Kyseisessä palvelussa käyttäjän, esimerkiksi työmaamestarin, tulisi pystyä seuraamaan työmaan olosuhteiden tilannetta lähes reaaliaikaisesti sekä myös tarkastella lähetettyä dataa pidemmältäkin aikaväliltä. Tällä tavoin käyttäjä voi nopeasti reagoida käynnissä oleviin ongelmatilanteisiin sekä lisäksi nähdä pidempiaikaisia trendejä, joita on mahdollista hyödyntää raportointia varten. Consairin toiveena oli hyödyntää kehitysprosessiamme jalostaakseen vastaavanlaisen järjestelmän omien pölynhallintalaitteidensa tueksi.

Edellä mainittujen vaatimusten ohella meille oli selvää, että antaakseen riittävän kuvan työmaan oloista, järjestelmämme tulisi sisältää useamman kappaleen näitä ilmaa mittaavia laitteita, mitta-asemia. Näin ollen otimme myös järjestelmän skaalautuvuuden huomioon, jotta ympäri työmaata olisi helppoa sijoittaa tarvittava määrä mitta-asemia.

Järjestelmän toiminta

Valmiiseen prototyyppijärjestelmäämme kuuluu eri versioita mitta-asemista, yksi isäntäasema sekä oma palvelin. Käytännössä järjestelmä toimii niin, että mitta-asema kerää ympäristöstä pöly-, lämpötila-, ilmankosteus- ja valodataa, käsittelee sen lähetettäväksi ja lähettää sen noin minuutin välein radiomoduulin välityksellä isäntäasemalle. Isäntäaseman tehtävä on lähettää mitta-asemalta saatu data saman tien eteenpäin palvelimelle sille määritellyn wifi-yhteyden avulla. Kirjautumalla palveluumme selaimessa, käyttäjä voi tarkastella palveluun tullutta dataa eri näkymistä ja kunkin mitta-laitteen mukaan. Palvelusta näkee mikäli mitatut arvot ylittävät käyttäjän asettamat raja-arvot ja lisäksi palvelu osaa viestittää käyttäjää, kun se havaitsee hälyttäviä arvoja.

Käyttöohje

1. Järjestelmän käyttöönotto aloitetaan kytkemällä isäntäasema (Consair MASTER) verkkovirtaan niin, että se on riittävän lähellä mitta-asemia saadakseen niihin radioyhteyden.

2. Kun isäntäasemassa on virta päällä, se luo Arduinon WifiManager -kirjaston avulla automaattisesti Wifi-yhteyden, johon kytkeytymällä käyttäjä voi määrittää isäntäasemalle Wifin, joka yhdistää sen järjestelmän palvelimeen.

3. Isäntäaseman päälle kytkemisen jälkeen kytketään mitta-asemat (kuvissa Consair V2) yksitellen päälle, jolloin ne ottavat automaattisesti yhteyden isäntäasemaan ja saavat tältä numerotunnisteen, joka näkyy sekä kyseisen mitta-aseman näytöllä että myös webbipalvelun puolella. Tästä eteenpäin mitta-asemat lähettävät keräämänsä mittausdatan minuutin välein isäntäaseman kautta palvelimelle.

4. Palveluun kirjautumalla pääsee näkemään kunkin mitta-aseman keräämän datan, tarkastelemaan niistä piirrettyjä kuvaajia sekä hallinnoimaan raja-arvojen ylityksiin liittyviä hälytyksiä.

Järjestelmän tekniikka

Järjestelmän osat

Mitta-asema
- 3D-printattu kuori
- ATMega328p mikro-ohjain (Ohjelmoitu Arduino IDEllä)
- DFROBOT SEN0177 pölysensori (mittaa 0,3-10um kokoisten hiukkasten lukumäärää, mitta-asemat on säädetty mittaamaan yli 1um kokoisia)
- AmbiMate MS4 anturimoduuli (mittaa lämpötilaa, ilmankosteutta, valoa sekä hiilidioksidia)
- nRF24L01 radiomoduuli
- 128×32 oled-näyttö
- 2 pienikokoista tuuletinta
- NPN transistoreita
- TP4056 lataus- ja boosteripiiri (piirilevyllisissä versioissa)
- 3,8V Lipo-akku (piirilevyllisissä versioissa)
Isäntäasema
- 3D-printattu kuori
- NodeMCU mikro-ohjain (Ohjelmoitu Arduino IDEllä)
- nRF24L01 radiomoduuli
Palvelin
- Apache webbipalvelimena
- Django ohjelmistokehyksenä
- Celery vastaa hälytyksien toiminnasta

Prototyypit

Mitta-asema Consair V1: Ensimmäinen leipälautaprototyyppi täydellä toiminnallisuudella, mutta saa virtansa paristoista

Mitta-asema Consair V2: Piirilevylle siirretty versio lipo-akulla ja latauspiirillä

Mitta-asema Consair V3: Paranneltu piirilevy, jossa kuitenkin havaittiin puutteita testauksessa

Isäntäasema Consair MASTER: Wifi-ominaisuudet sisältävä NodeMCU sekä radiomoduuli

Tulokset

Rakentamamme järjestelmä täyttää tärkeimmät Consairin asettamat vaatimukset eli se kerää rakennustyömaan kannalta olennaisinta mittadataa ilmasta ja lähettää tämän nähtäville selaimeen reaaliaikaisen ja jo aiemmin kerätyn datan tarkastelua varten. Tämän lisäksi sunnittelimme prototyypille ominaisuuksia, joita ei suoraan pyydetty, mutta jotka ovat hyödyllisiä. Näitä ovat virran säästäminen kytkemällä komponentteja pois päältä, kun ne eivät ole käytössä, akun jännitteen mittaus sekä asetettuja tavoitteita parempi webbipalvelu. Consair ehdotti myös, että kehittäisimme ratkaisuja laitteen itsediagnostiikalle ja huollettavuudelle tai että tutkisimme rakennustyömaiden IoT-verkkoon kytkeytyviä tiedonsiirtotapoja, mutta nämä olivat joko turhan monimutkaisiksi tai tarpeettomiksi katsottuja asioita projektimme laajuuteen nähden.

Olemme testanneet laitteitamme niin sanotuissa laboratorio-oloissa ja se on riittänyt tarkoituksiamme varten. Nähdäksemme sekä lämpötila- että ilmankosteusmittaukset tuottavat pääosin järkeviä ja vakaita arvoja mitta-aseman kuoren sisällä. Hiukkas- tai pölymittaus on astetta haastavampaa johtuen vaatimuksesta kierrättää ilmaa mittalaitteen läpi sekä oman pölyanturimme rajallinen mittaustilavuus. Olemme silti onnistuneet saamaan siitä hyviä tuloksia pölyisyyttä simuloivissa testeissä, jolloin mitta-asemamme tuulettimet ovat pystyneet viemään riittävästi ilmaa anturin läpi haitallisten hiukkaskonsentraatioiden tunnistamiseksi.

Prototyyppimme tarkoitus on ollut alusta asti esitellä tämänkaltaisen IoT-järjestelmän toimivuus sekä se, millä haasteilla ja ratkaisuilla lopputulokseen on päästy. Näin ollen on oletettavaa, että rakentamissamme laitteissa on kuitenkin vielä parantamisen varaa. Esimerkiksi käyttämämme radiomoduuli ei kykene läpäisemään radiosignaalin tiellä olevia esteitä kovin tehokkaasti ja siten matalataajuisempi radioyhteys olisi suositeltavaa, jotta se toimisi moitteetta rakennustyömaa-alueella. Toisaalta valitsemamme pölyanturi on sopivasta tarkkuudestaan huolimatta yksittäiseksi komponentiksi melko kallis ja havaitsimme sen toimivan vajaavaisesti virransäästöominaisuuksien kanssa. Yleisesti ottaen sekä piirisuunnittelussa että ohjelmoinnissa voisi olla sijaa hiomiselle, mutta nykyinen toteutustapa on täyttänyt tavoitteemme.