Konzeptentwicklung

Konzeptentwicklung

Messort der Feinstaubmessung
Zur Feinstaubmessung wird der Sensor SDS011 von Nova Fitness und zur Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsmessung der Sensor DHT22 von Aesong Electronics verwendet. Als möglicher, sinnvoller Ort für die erste Messstation, käme in Karlsruhe die Kreuzung Moltkestraße /Adenauerring in Frage.
Wenn der erste Ort feststeht kann ein zweiter Ort für die zweite Messstation gewählt werden. Entscheidend wäre hierbei eine Distanz zum LORA-Empfänger an der Hochschule einzuhalten, bei dem die Signalstärke des Lora-Senders noch im grünen Bereich ist.

Abbildung 1: 1. Messort ; Quelle: https://www.google.de/maps

Abbildung 2: 2. Messort ; Quelle: https://www.google.de/maps

Die Höhe über dem Boden, in der die Messung stattfindet, soll (laut Anforderungsliste) flexibel bleiben. Mögliche Messhöhen könnten im Bereich zwischen 0,3m und 2,5m durchgeführt werden.

Befestigung der Messstation
Eine Lösung wäre die Befestigung mit Rohrschellen in passender Größe an einem Straßenschild.

Abbildung 3: Rohrschellen 1" ; Quelle: http://www.tec-direct24.de/de/Rohrschelle-Gelenkrohrschelle-verzinkt.html?combi_id=892

Eine weitere Lösung wäre die Montage der Messstation auf einem Stativ bzw. einer mobilen Schildstange , welche mit beschwerter Fußplatte ausgestattet ist.

Abbildung 4 ; Quelle: https://www.zeunert-schilder.de/rohre-und-schellen/90270-schilderstander-set-vierkantrohr-fussplatte-klemmschellen.html

Eine weitere Lösungsmöglichkeit, wäre die Erstellung eines eigenen Statives mit an der Hochschule verfügbaren Minitec-Profilen.

Abbildung 5: Minitec Profile ; Quelle: https://www.minitec.de/

Da wir beabsichtigen unsere Messungen im öffentlichen Raum durchzuführen, werden wir uns die Aufstellorte bzw.das Anbringen an Schildern der Stadt Karlsruhe genehmigen lassen müssen. Selbst bei Verwendung eines eigenen Statives, wird eine gute Kommunikation mit der Stadt die Voraussetzung sein.

Messstationgehäuse
Die Elektronik und die Sensorik werden in einem Gehäuse untergebracht, um vor Feuchtigkeit und mechanische Stößen oder anderen Umwelteinflüssen geschützt zu werden. Gleichzeitig muss das Gehäuse auch ein Schutz vor Zugluft oder Hitzestau sein, um eine gute und vergleichbare Messung zu gewährleisten.
Eine Lösung für den Einsatz auf Privatgelände, welche u.a. von den Stuttgartern (luftdaten.info) verwendet wird, wäre ein Gehäuse aus zwei 90° HT70 Rohr-Bögen. Diese werden zusammengesteckt und mit den zwei Öffnungen nach unten ausgerichtet. Diese Lösung stellt eine sehr kostengünstige aber auch einfache Variante dar.

Abbildung 6: Gehäuse aus zwei 90° HT Rohr-Bögen ; Quelle: https://luftdaten.info/feinstaubsensor-bauen/

Für den Bediener und ggf. auch bei mehr Platzbedarf wäre eine Ergänzung mit einer Revision in HT 70 sinnvoll.

Abbildung 7: Revision in HT 70 ; Quelle: https://www.obi.de/search/ht%20rohr/

Eine weitere Gehäuse-Variante wäre zb. eine pilzähnliche Form, wie beispielsweise von einer Dachentlüftung.

Abbildung 8: Gehäuse in pilzähnliche Form ; Quelle:
https://www.ebay.de/itm/ENTLUFTUNGSHAUBE-DN-50-70-100-160-DUNSTHUT-DACHENTLUFTER-LUFTUNGSPILZ-HT-KG-ROHR-/331594276329

Eine andere Gehäuse-Variante wäre ein Schlüsselkasten. Diese Variante schützt die Messstation vor oben genannten Umwelteinflüssen und auch vor Manipulation und Vandalismus. Es müssten jedoch Maßnahmen zur Abdichtung getroffen werden.

Abbildung 9: Schaltschrank Stahlblech Grau-Weiß ; Quelle: https://www.voelkner.de/

Als eine Maßgebende Größe für die Auswahl des Gehäuses machten wir uns (wie in nachfolgender Zeichnung) auch Gedanken zum Platzbedarf der Elektronik bzw. des Systems.

Abbildung 10: Raumausnutzung Layout des Schaltschranks

Bei allen Varianten ist das Gesamtgewicht der Messstation (Elektronik+Gehäuse) u.a. aus ergonomischen Gründen möglichst klein zu halten.

Sicherheit der Messstation
Da wir uns mit der Messstation in von Menschen einfach zugänglichen Höhen aufhalten, ist das Thema Manipulationssicherheit und Vandalismus auch ernst zu nehmen. Ein Ansatz wäre bei der Befestigung Spezialschrauben zu verwenden. Eine weitere Lösung wäre ein Schloss zu integrieren. Eine dritte Möglichkeit wäre eine abschreckende Optik des Gehäuses. Eine andere Variante wäre eine abschließbare Lösung von dem Gehäuse.

Schaltung
Wir bauen die Schaltung zunächst zu Testzwecken auf einem Steckbrett auf, danach wird eine robuste - für den dauerhaften Einsatz geeignete Lösung umgesetzt. Eine Variante wäre die Kabelbaum-Lösung (Löten) in Kombination mit Steckern (z.B. JR, Multiplex). Eine weitere Lösung wäre die Konstruktion und Verwendung einer Platine mit Eagle.

Abbildung 11: Aussicht der Schaltung auf Steckbrett

Stromversorgung
Da die beiden Messstationen im Idealfall energieautark betrieben werden sollen und die größte benötigte Spannung 5V beträgt, ist die Anforderung, eine Lösung mit einer Powerbank zu suchen. Wir berechneten den Stromverbrauch um eine Auswahl zu benötigter Kapazität bzw. Laufzeit pro Akkuladung treffen zu können.

Abbildung 12: Berechnung bezüglich des Energieverbrauchs

Als Stromversorgung kommen mehrere Power Banks in Frage, deren primärer Unterschied in der Kapazität liegt. So wählten wir drei sinnvolle Kapazitäten aus. 5Ah, 10Ah oder 15Ah. Die eleganteste Lösung wäre vielleicht, ein Akkusystem via PowerBank noch mit einem Solar-USB-Lader zu ergänzen, wie sie im Outdoor-Bereich eingesetzt werden. Dieses Solar-Ladegerät könnte das Messgerät Energie-Autark machen, bzw. man wäre nicht Netzabhängig (direkt oder indirekt durch laden des Akkus) und würde den Energiebedarf ausschließlich über erneuerbare Energien (Sonne) decken. Diese Variante bringt jedoch auch einige Nachteile mit. So wird z.B. das Diebstahl-Risiko erhöht, man müsste die Ausrichtung der Solarzellen mit einplanen, auch ggf. Verschattung etc. Die Messstation wäre auch deutlich größer.

Abbildung 13: Sollar Zelle; Quelle für linkes Bild Solar Zelle:
https://www.conrad.de/de/solar-ladegeraet-xtorm-by-a-solar-booster-ap150-ladestrom-solarzelle-2000-ma-12-w-1218856.html
Abbildung 14: Power Bank ; Quelle für rechtes Bild Power Bank:
https://www.conrad.de/de/powerbank-zusatzakku-intenso-slim-s-5000-lipo-5000-mah-1387338.html