I flere år har det blitt utført systematisk forskning på forurensning av nattehimmelen med kunstig lys i byen Toruń11,36,38. Hovedmålet er å overvåke dette fenomenet, inkludert dets romlige og tidsmessige variabilitet og de viktigste faktorene som påvirker det. Basert på tidligere erfaring ble en intern måleenhet konstruert for å automatisere prosessen med datainnsamling.
Opprinnelse til prosjektet
De første målingene knyttet til fenomenet nattehimmelforurensning i Toruń ble gjort høsten 2017, etterfulgt av regelmessige observasjoner ved bruk av et håndholdt SQM-fotometer (Unihedron, Canada) som en del av et prosjekt implementert i 2017–2018. Til dette ble det etablert et permanent målenettverk fordelt over hele byen, bestående av 24 lokasjoner. Under en en natts måling som fant sted i løpet av den astronomiske natten (det er ingen slik periode på breddegraden til Toruń om sommeren), ble himmelens lysstyrke målt på alle steder. Resultatene av punktovervåking ble plottet ved hjelp av interpolasjonsmetoder og visualiseringsverktøy tilgjengelig i GIS-systemer11,39, som bidro til å bestemme den romlige fordelingen og omfanget av natthimmellysforurensning. Intensiteten til dette fenomenet på hvert av de undersøkte punktene ble også undersøkt i forhold til de utmerkede landdekkekategoriene og typene byutvikling.
Repeterbare målinger utført regelmessig over en så lang tidsperiode var preget av betydelige begrensninger. Én måleøkt var svært tidkrevende, da den varte i ca. to timer, og i løpet av denne tiden ble alle målestedene besøkt, med en strekning på nesten 50 km hver natt med bil. Til tross for overholdelse av alle tidsrammer og holding til planen for feltarbeid, ble det ikke utført målinger samtidig på alle stedene, noe som påvirket resultatene, spesielt om natten med skiftende skydekke. Selv om målingene ble utført med stor konsistens og forsiktighet, ble de utført i en romlig buffer på ca 5 m, noe som utilsiktet kunne påvirke de oppnådde resultatene litt. En ekstra begrensning var også en engangs nattmåling på ett tidspunkt, i stedet for en hel serie målinger med bestemte tidsintervaller. Unøyaktigheter i avlesningene i løpet av en enkelt økt kan ha vært forårsaket av plutselige endringer i meteorologiske parametere. I den vedtatte prosedyren var det ikke mulig å gjennomføre samtidige målinger under identiske tid- og værforhold på alle lokasjonene, for ikke å snakke om involvering av personellet i hver omvisning i målenettpunktene.
Ved å bruke erfaringen og etter en analyse av de identifiserte begrensningene og de tekniske egenskapene for hånden, startet arbeidet i 2019 med å utvikle et nettverk for automatisk fjernovervåking av lysforurensning av nattehimmelen i Toruń, basert på konstruerte interne opptaksenheter.
Design, funksjon og bruksfunksjoner til enheten
For å styrke forskningen på lysforurensning i byrom, har arbeidet startet med å bygge en enhet som skal utføre automatiske målinger, være mobil, batteridrevet og bruke trådløs kommunikasjon med lang rekkevidde. Alle de nevnte funksjonene er i tråd med strategien til Industri 4.0 og moderne løsninger foreslått som en del av Smart City-konseptet.
Konseptet Industri 4.0 forutsetter mer og mer vanlig bruk av prosessautomatisering samt behandling og utveksling av data ved bruk av nye overføringsteknologier26. LoRaWAN er en av løsningene som brukes for kommunikasjon av Internet of Things (IoT) enheter, som støtter utviklingen av Smart Cities i Smart Environment-området. Som et resultat øker interaktiviteten, frekvensen og omfanget av målinger utført i urbaniserte områder40,41.
I følge det utviklede prosjektet skulle enheten tjene som en meter med svært lavintensitetslys observert på nattehimmelen. I denne forbindelse var det nødvendig å bruke en sensor med tekniske parametere egnet for svært nøyaktige målinger av lysintensitet. For lokalt å verifisere værforholdene som oppstår under driften av enheten, ble det besluttet å utføre flere samtidige målinger av andre miljøparametere – temperatur og fuktighetsinnhold. Analysen av den romlige dekningen av studieområdet indikerte at 36 måleenheter bør distribueres for å gi full dekning av Toruń. Konseptet med å lage et urbant målenettverk forutsetter at utvalget dekker hele byen relativt jevnt og representerer ulike typer boligutvikling og elementer av landdekke. Det ble antatt at målinger kun vil bli foretatt om natten, mellom kl. 21.00 og 06.00 påfølgende dag, med 15 minutters mellomrom, og i tillegg vil værforhold bli registrert to ganger daglig.
Konstruksjon og tekniske parametere til enheten, og utvalgte egenskaper til komponentene
En prototypeenhet som oppfyller alle de forhåndsdefinerte funksjonene ble konstruert basert på tilgjengelige elektroniske moduler. B-L072Z-LRWAN Discovery utviklingskort fra STMicroelectronics42 ble valgt som den viktigste elektroniske komponenten for trådløs kommunikasjon. Dette kortet har en integrert LoRa-kommunikasjonsmodul, som muliggjør trådløse meldinger med lav effekt, og lar også kortet gå inn i en lavstrømstilstand under dvalemodus, og dermed målrette seg mot langsiktig batteridrevet drift. Denne modulen er fullt programmerbar, noe som muliggjør fremtidig utvidelse av settet med andre funksjoner. TSL2591 lyssensoren fra AMS, som har høy følsomhet og registreringsnøyaktighet, ble valgt som en komponent for å implementere lysintensitetsmålingen. Dens store fordel er et bredt måleområde på 188 μlx til 88 000 lx, følsomhet som når 0,000377 lx, og et bredt dynamisk område (WDR) på 600 M:143. Sensoren som brukes har to dioder med forskjellige spektrale egenskaper. En av dem registrerer synlig lys sammen med infrarødt (i området fra 400 til 1 100 nm), mens den andre er ansvarlig for registreringen av infrarødt lys (mellom 500 og 1 100 nm). Takket være denne løsningen kan vi bruke resultatene på ulike måter. Bruken av formelen gitt av produsenten lar oss oppnå spektrale egenskaper som ligner på det menneskelige øyet. Tilstedeværelsen av en kompenserende diode gjør en forskjell sammenlignet med sensoren som brukes i SQM-enheten, så resultatene som oppnås i målingene kan være litt annerledes.
For å måle ytterligere miljøparametere ble X-NUCLEO-IKS01A2-utviklingskortet fra STMicroelectronics brukt, som er koblet til STM32-mikrokontrolleren via I2C-grensesnittet44. Dette kortet gjør det mulig å registrere en rekke parametere, men i den konstruerte enheten er den kun ansvarlig for å lese temperaturen og fuktigheten i miljøet. Dette skyldes nødvendigheten av å begrense størrelsen på meldingspakkene som sendes, samtidig som man forbedrer driftsrekkevidden og reduserer strømforbruket til enheten.
Når alle komponentene var valgt, testet og integrert, ble prosessen med endelig tilkobling og programmering utført. Basen på enheten, dvs. utviklingskortet B-L072Z-LRWAN, ble koblet til X-NUCLEO-IKS01A2 miljøsensorkortet ved hjelp av Arduino-kontakter. Ved å bruke standard ledninger ble en TSL2591 lyssensor lagt til ved å koble til de tilsvarende I2C (SCL og SDA), strømforsyningen (VIN), sensorjording (GND) pinnene og X-NUCLEO-IKS01A2-kortet.
Alle komponenter som ble brukt ble plassert i et standard utvendig kabinett med dimensjoner på 8,0 × 5,4 × 15,8 cm. I dens nedre del ble det laget en åpning for en ekstern antenne, mens i den øvre delen ble det skåret ut en spesielt valgt åpning, beskyttet med en glassrute, gjennom hvilken målinger utføres av lyssensoren (fig. 2).
(foto av Dominika Karpińska).
Etter trinnene ovenfor ble det konstruert en automatisk enhet for å registrere lysintensiteten i den nedre troposfæren, dvs. måle forurensning av nattehimmelen med kunstig lys som kommer fra jordoverflaten. Utvalgte tekniske parametere for enheten er presentert i tabell 1.
Flytskjema over systemdriften
Etter å ha konstruert enheten og skrevet kontrollprogramvaren ble konstruksjonen av hele målesystemet startet. Hvert av måleinstrumentene er til slutt koblet til kommunikasjonsgatewayen ved hjelp av LoRa-teknologi. En MultiTech kommunikasjonsgateway med en LoRaWAN-modul ble brukt som tilgangsenhet. For å kunne koble gatewayen til måleenheten, var det nødvendig å konfigurere kommunikasjonsgateway-programvaren. Til dette ble informasjonen om det unike enhetsnummeret (Dev EUI) og applikasjonsnøkkelen og dens nummer (App EUI og App Key) brukt. Når enheten er konfigurert, er det mulig å sende data til kommunikasjonsgatewayen og lese dem ved hjelp av NodeRED, et programmeringsverktøy hvor data omdirigeres til en valgt server, som lagrer alle måleresultater. Figur 3 viser en skjematisk fremstilling av det konstruerte målesystemet.
Skjematisk diagram av målesystemet.