В Германии оценят атмосферный воздух с помощью смартфонов
В технологическом институте Карлсруэ разработан краудсорсинговый проект по измерению уровня загрязнённости атмосферы взвешенными частицами с помощью небольшого сенсора, закрепляемого на смартфонах и планшетах. Вместо лазерного счётчика частиц, используемого в профессиональном оборудовании, научная группа предлагает использовать светодиодную вспышку и камеру мобильных гаджетов.
Посмотрите на фотографии людей в Пекине, Париже и других крупных мегаполисах. Многие ходят по улицам в масках и всё чаще жалуются на загрязнённый воздух. Теперь у них есть реальный шанс улучшить ситуацию. «Заинтересованные граждане помогут оценить состояние атмосферного воздуха в различных местах и поделятся ими через интернет. Затем мы сможем использовать эти сведения при составлении карты загрязнения соответствующего района в режиме реального времени», – говорит один из авторов исследования Маттиас Будде (Matthias Budde).
«Компьютерра» уже писала о подобной инициативе в Австралии. Мобильное приложение Ear-Phone, запущенное у тысяч добровольцев, составляет городскую карту шума в режиме реального времени. Немецкие исследователи пошли дальше и разработали специализированный сэпмплер, который пассивно отбирает образцы воздуха.
Он закрепляется с помощью магнита как приставка на тыльной части смартфона или планшета. Одно окошко совмещается со вспышкой, а другое – с камерой. Свет от вспышки распространяется по оптоволокну (загнутому в виде петли) и попадает на линзу. Далее он проходит через пространство воздухозаборника, частично рассеивается на попавших в него частицах пыли и дыма, после чего попадает на сенсор фотокамеры.
Мобильное приложение анализирует яркость пикселей в каждом изображении и вычисляет количество пылевых частиц, помешавших идеальному распространению светового луча. «Снимок представляет данные измерения, поскольку яркость пикселей может быть преобразована в концентрацию пыли», – поясняет Будде.
Для доказательства работоспособности прототипа были проведены сравнительные измерения. Прототип сенсора был напечатан с помощью 3D-принтера. Результаты его работы сравнили с показаниями детекторов на станциях измерения Государственного агентства Баден-Вюртемберг по делам окружающей среды.
В настоящее время датчик для смартфона может измерять концентрации крупных пылевых частиц в диапазоне от одного микрограмма на кубический метр. Этого достаточно для обнаружения дыма, но мало пригодно для анализа фракции PM10, содержащей частицы с диаметром менее 10 мкм.
«Как и ожидалось, точность нашего сенсора получилась гораздо ниже, чем у профессионального оборудования, но его габариты тоже несравнимы, а производство на порядки дешевле», – комментирует Будде.
Стационарные посты наблюдения, оснащённые лазерными счётчиками частиц, активными аспираторами, прецизионными фильтрами и циклоном для отделения респирабельной фракции обходятся слишком дорого. В Карлсруэ их установили всего два, и толку от них немного. По двум точкам отбора проб нельзя адекватно судить о степени загрязнения атмосферного воздуха во всём городе, какая бы совершенная техника для этого ни использовалась.
Традиционно низкая точность и ограниченные возможности используемых в подобных краудсорсинговых проектах аппаратных платформ компенсируется огромным количеством измерений и алгоритмами интеллектуальной обработки полученных данных.
Благодаря множеству встроенных сенсоров можно определить, что происходило во время измерений и могло исказить результат. Наличие модуля GPS и возможности определять примерные координаты по сигналу сотовой сети делают возможным сравнение результатов нескольких участников, находившихся поблизости в одно и то же время.
Конечно, так не собрать детальных данных о характере загрязнения атмосферы и соотношениях фракций с определённым размером частиц. Однако тысячи мобильных устройств, постоянно передающих свежие данные на сервер – пока единственный способ отображать общее состояние городского воздуха без существенных затрат на развёртывание специализированной системы.
Организовать сопоставимое количество постов наблюдения для автоматической системы контроля загрязнения воздуха просто не по карману большинству муниципалитетов. Использование труда мобильных волонтёров помогло бы исправить положение дел, но как привлечь внимание и поддерживать интерес?
Исследователи полагают, что заставить купить сенсор и принять участие в программе глобального мониторинга качества воздуха поможет превращение процесса измерений в новую игру. «Можно сделать не просто скучное мобильное приложение, а новый клиент многопользовательской игры, – рассуждает Будде. – Участники будут зарабатывать очки за количество измерений, а за работу в самых малообследованных местах можно начислять дополнительные бонусы».
Отдельную проблему для проекта представляет защита персональных данных, хотя сами пользователи не слишком о них заботятся. «Очень важно, чтобы люди могли убедиться в безопасности приложения и в том, что оно отправляет в сеть только необходимый минимум данных об измерениях», – поясняет Будде. В качестве одного из способов снять возможные подозрения, в массовых исследованиях традиционно используют деперсонализацию собранных данных. После того, как они стекутся на выделенный сервер, уже невозможно будет проследить, кто именно выполнил то или иное измерение.
В настоящее время научная группа работает над улучшением характеристик датчиков. Уже создан прототип с другим типом линзы, который позволил добиться большей чувствительности. Однако основная работа ведётся на программном уровне. Оптимизируются методы оценки снимков и разрабатываются новые алгоритмы обработки изображений. Если в смартфонах появится поддержка RAW, то наличие исходных данных каждой фотографии поможет существенно повысить качество результатов измерений.