ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6342| Title: | Автоматизована система контролю якості повітря в приміщенні |
| Authors: | Міценко, Сергій Анатолійович Онопрієнко, Антон Євгенійович |
| Issue Date: | Jun-2025 |
| Abstract: | У ході виконання кваліфікаційної роботи здійснено комплексне дослідження проблеми забезпечення належної якості повітря в офісному середовищі. Аналіз наукових джерел, нормативної документації та існуючих технічних рішень дозволив зробити низку важливих висновків. Значущість контролю якості повітря. Якість повітря безпосередньо впливає на здоров’я, працездатність і комфорт працівників. Несприятливі мікрокліматичні умови, зокрема перевищення допустимих рівнів CO₂, надмірна вологість або сухість, висока концентрація пилу й шкідливих домішок, можуть спричиняти синдром "хворої будівлі", підвищення рівня захворюваності персоналу та зниження продуктивності праці. Системний підхід до аналізу параметрів. У роботі було проаналізовано основні шкідливі чинники, що впливають на якість повітря: хімічні, фізичні, біологічні та електромагнітні. Проведено деталізований розгляд принципів їхнього утворення, гранично допустимих концентрацій та наслідків для організму людини. Визначено необхідні параметри для моніторингу – температура, вологість, концентрація CO₂ тощо. Огляд сучасних методів і засобів контролю. Вивчено широкий спектр сенсорів і технічних засобів, що застосовуються для вимірювання параметрів якості повітря. Розглянуто різні типи датчиків (температури, вологості, пилу, газів), а також принципи їхньої роботи, точність та особливості впровадження в автоматизовані системи. Проєктування структури автоматизованої системи. Розроблено функціональну та структурну схему автоматизованої системи контролю якості повітря в офісному приміщенні (АСКЯП). Запропонована система включає вимірювальні модулі, обчислювальний блок (мікроконтролер), виконавчі елементи (вентилятори, кондиціонери, іонізатори) та систему зворотного зв’язку. Це забезпечує повний цикл автоматичного моніторингу, обробки даних і регулювання повітряного середовища. Практична цінність і перспективи розвитку. Запропонована система може бути впроваджена в офісних приміщеннях різного масштабу. Її використання дозволить не лише покращити мікроклімат і забезпечити санітарно-гігієнічні умови праці, а й зменшити витрати на енергоносії та медичне обслуговування персоналу. У подальшому систему можливо розширити шляхом інтеграції зі смарт-будівлями та мобільними додатками для дистанційного моніторингу. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6342 |
| Appears in Collections: | 174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Б_151_2025_Онопрієнко.pdf Restricted Access | 1.3 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА до кваліфікаційної роботи освітнього ступеня «бакалавр» на тему: АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА КОНТРОЛЮ ЯКОСТІ ПОВІТРЯ В ПРИМІЩЕННІ Виконав студент 2 курсу групи АКІТС-2109 спеціальності 174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка Антон ОНОПРІЄНКО (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Керівник Сергій МІЦЕНКО (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Рецензент (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Захист дозволяю: зав. кафедри, д.т.н., професор Валентина ЛУКАШЕНКО (підпис) (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Черкаси 2025 ЗМІСТ СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ......................................... 3 ВСТУП ......................................................................................................................... 4 РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ ТА ОСНОВНІ КРИТЕРІЇ ЯКОСТІ ПОВІТРЯ ........................ 6 1.1 Аспекти контролю та ключові санітарні вимоги для просторів .................. 6 1.2 Типи шкідливих чинників спричинячі погіршення якості повітря ............. 8 1.3 Іонізація та її роль у підтриманні здоров'я та працездатності людини ..... 11 1.4 Електромагнітне випромінювання в просторі з високою концентрацією електронних пристроїв ......................................................................................... 13 1.5 Аналіз наявних методів впровадження автоматизованих систем контролю якості повітря в приміщенні. ................................................................................ 15 РОЗДІЛ 2 ПРОЕКТУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ ЯКОСТІ ПОВІТРЯ .................................................................................................... 20 2.1 Поширені методи аналізу речовинного складу повітря .............................. 20 2.2 Опис структурної схеми автоматизації керування якістю повітря в приміщенні ............................................................................................................. 26 2.3 Сенсорні технологій для моніторингу параметрів повітря ........................ 30 РОЗДІЛ 3 ФУНКЦІОНАЛЬНА МОДЕЛЬ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ПОВІТРЯ .................................................................................................................... 36 3.1 Опис функціональної схеми системи ............................................................ 36 3.2 Огляд та вибір засобів вимірювання параметрів ......................................... 38 3.3 Алгоритм налаштування системи.................................................................. 50 ВИСНОВКИ ............................................................................................................... 59 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ................................................................. 61 2 СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ PM – Рівень концентрації твердих частинок PSI – Стандартний загальний показник забруднення повітря PubMed – Електронна база даних медичних і біологічних публікацій VOC – Volatile Organic Compound АЦП – Аналого-цифровий перетворювач ВООЗ – Всесвітня організація охорони здоров’я ВС – Вимірювальна система ГДК – Гранично допустима концентрація компоненти в повітрі ЕМП - Електромагнітне поле ЗВ – Засіб вимірювання КПО – Коефіцієнт природної освітленості ЛОС – Леткі органічні сполуки ПК – персональний комп’ютер ТТ – Термометричне тіло 3 ВСТУП Актуальність теми. Сучасні тенденції розвитку урбанізованих просторів, зокрема офісних середовищ, супроводжуються підвищеними вимогами до мікрокліматичних умов, які безпосередньо впливають на здоров’я, продуктивність праці та загальне самопочуття працівників. Одним з ключових факторів є якість повітря в закритих приміщеннях, яка може погіршуватись через підвищену концентрацію вуглекислого газу, пилу, летких органічних сполук, небезпечних газів та неефективну вентиляцію. Ігнорування цих чинників призводить до виникнення синдрому "хворої будівлі", зниження працездатності персоналу та збільшення кількості захворювань. Актуальність проблеми зростає в умовах широкого використання комп’ютерної техніки, полімерних матеріалів, кондиціонерів та герметичних вікон, які знижують природну циркуляцію повітря. Більшість традиційних систем вентиляції не мають можливості оперативно реагувати на зміни параметрів мікроклімату, що створює потребу у впровадженні автоматизованих інтелектуальних систем контролю та регулювання якості повітря. Сучасні сенсорні технології та мікроконтролерне керування дозволяють створювати енергоефективні та адаптивні системи, що здійснюють моніторинг і оптимізацію параметрів повітряного середовища в реальному часі. Таким чином, актуальність теми зумовлена необхідністю розробки інтелектуальної, доступної та надійної автоматизованої системи, здатної комплексно контролювати якість повітря в офісному приміщенні, забезпечувати безпечні умови праці та мінімізувати вплив негативних екологічних факторів на людину. Мета роботи – проектування автоматизованої системи контролю якості повітря в офісному приміщенні з використанням сенсорних пристроїв та мікроконтролерного керування. Об’єкт дослідження – процес забезпечення та підтримання оптимальних параметрів якості повітря в офісних приміщеннях. 4 Предмет дослідження – автоматизовані системи контролю якості повітря в приміщенні. Для досягнення мети необхідно вирішити наступні завдання: − Проаналізувати фактори, що впливають на якість повітря в офісах та вимоги нормативної документації. − Провести огляд сучасних методів вимірювання параметрів повітря (температури, вологості, CO₂, пилу). − Розробити структурну та функціональну схеми системи автоматизованого контролю якості повітря. − Вибрати сенсори та виконавчі елементи, обґрунтувати їх використання в системі. − Реалізувати алгоритми моніторингу та регулювання мікроклімату. Методи дослідження. У роботі використано методи системного аналізу, теорії автоматичного керування, електронного моделювання, аналізу сигналів з сенсорів, а також розробки структурно-функціональних схем. Застосовано програмне моделювання системи з урахуванням реальних впливів зовнішнього середовища та інтерфейсів взаємодії з користувачем. Практичне значення отриманих результатів. Розроблена система автоматизованого контролю якості повітря може бути впроваджена в офісах, навчальних закладах, медичних установах тощо. Система дозволяє підтримувати оптимальний мікроклімат, автоматично реагує на відхилення ключових параметрів повітря, підвищує комфорт і продуктивність праці. Її модульна структура забезпечує легку масштабованість та можливість інтеграції з іншими інженерними системами «розумного» приміщення. 5 РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ ТА ОСНОВНІ КРИТЕРІЇ ЯКОСТІ ПОВІТРЯ 1.1 Аспекти контролю та ключові санітарні вимоги для просторів Приміщення – це спеціально обладнане приміщення, призначене для організації робочого простору, яке включає робочі столи, крісла, шафи для зберігання документів та інші необхідні елементи. Такі приміщення можуть розташовуватися у спеціально збудованих будівлях або орендованих просторах. Офісні приміщення поділяються на кілька класів: 1. А-клас – сучасні офісні комплекси, зведені з використанням передових матеріалів, обладнання та оздоблення. Вони мають відкриті планування, зручне розташування в центрі міста, хороші транспортні під'їзди та достатню кількість паркінгів. 2. В-клас – адміністративні будівлі, які можуть відповідати деяким критеріям класу А, але не повністю. Часто розташовані не в центральних районах, проте їх внутрішні параметри та оснащення можуть бути близькими до рівня А-класу. 3. С-клас –будівлі, розташовані переважно поза центром міста, з базовим рівнем оздоблення та обмеженими можливостями перепланування. Вони можуть мати недостатньо розвинені системи вентиляції, кондиціонування, паркування та охорони. Санітарні норми для офісних приміщень відіграють важливу роль у забезпеченні комфорту та здоров'я працівників. Вони визначають допустимі параметри якості повітря, рівень освітлення та інші показники. Негативні фактори, що впливають на стан людини в робочому середовищі, варіюються залежно від типу приміщення (офісного, виробничого, складського тощо). Контроль цих чинників має на меті мінімізацію їх впливу до встановлених нормативних рівнів, оскільки повністю виключити їх часто неможливо. Санітарні вимоги регламентують перелік потенційно шкідливих факторів і встановлюють допустимі межі їх концентрації. Конкретні параметри залежать від специфіки приміщення, його призначення та наявності технічного 6 обладнання. Офісні приміщення повинні відповідати санітарно-гігієнічним нормам, що забезпечують комфортні та безпечні умови праці. Мінімальна площа на одне робоче місце має становити 6 м², а розташування робочих зон повинно враховувати достатню відстань від стін та вікон. Важливо дотримуватися вимог щодо розміщення комп’ютерної техніки, зокрема, відстань між пристроями має бути не меншою за 1,2 м, а між екранами – не меншою за 2,5 м. Офісні приміщення не повинні розташовуватися у підвалах або цокольних поверхах, оскільки такі умови можуть негативно впливати на рівень природного освітлення та вентиляції, що є критично важливими для комфортної роботи. Використання полімерних матеріалів, що виділяють шкідливі речовини, є неприпустимим, оскільки вони можуть спричиняти забруднення повітря та негативно впливати на здоров’я працівників. Покриття підлоги має бути матовим, рівним, неслизьким та антистатичним, що сприяє безпеці та зменшенню накопичення пилу. Важливим аспектом є гармонія кольорів у приміщенні, яка впливає на психологічний комфорт працівників, а також на їхню продуктивність. Оптимальне поєднання кольорів може зменшити рівень стресу та підвищити концентрацію. Крім того, необхідно забезпечити належну звукоізоляцію приміщення, щоб мінімізувати вплив зовнішніх шумів, які можуть заважати роботі. Важливим є також правильне розташування робочих місць, що враховує ергономічні вимоги та сприяє зниженню фізичного навантаження на працівників. Додатково слід передбачити ефективну систему вентиляції та кондиціонування, яка забезпечуватиме оптимальні параметри мікроклімату, включаючи температуру, вологість та рівень CO₂. Забезпечення цих умов сприяє створенню комфортного та здорового робочого середовища, що позитивно впливає на продуктивність і загальне самопочуття працівників. Щоденне вологе прибирання необхідне для підтримання чистоти, особливо у приміщеннях з комп’ютерною технікою. Робочі місця повинні бути обладнані ергономічними столами та кріслами, що сприяють правильній робочій 7 позі. Також необхідно забезпечити ефективну систему опалення, кондиціонування або вентиляції. Мікроклімат у приміщенні має відповідати оптимальним параметрам: температура повітря – 22–25°C, вологість – 40–60%, швидкість руху повітря – не більше 0,1 м/с. У разі порушення цих норм робочий день може бути скорочений. Освітлення повинно відповідати стандартам: природне світло має забезпечувати коефіцієнт освітленості не нижче 1,5%, а штучне освітлення має бути рівномірним, без світильників без розсіювачів. Рівень шуму також регламентується: для програмістів – до 50 дБА, для операторів ПК – до 65 дБА. Контроль електромагнітних випромінювань, електростатичних і магнітних полів здійснюється відповідно до встановлених санітарних норм. У роботі особливу увагу слід приділити контролю якості повітря, оскільки його параметри впливають на самопочуття працівників, продуктивність та ризик захворювань. Важливо враховувати розташування електрообладнання, тип приміщення, наявність систем вентиляції та рівень випромінювання. На основі цих даних можна розробити автоматизовані системи моніторингу, що контролюватимуть температуру, вологість та концентрацію шкідливих речовин, а також регулюватимуть роботу вентиляційних та кондиціонерних систем. 1.2 Типи шкідливих чинників спричинячі погіршення якості повітря До недавнього часу основна увага інженерів-проєктувальників та санітарних фахівців була зосереджена на забезпеченні оптимальної температури та природної вентиляції у виробничих приміщеннях. Традиційний підхід зосереджувався переважно на базових функціях підтримання температури 18- 22°C для офісних приміщень та забезпечення природної вентиляції через вікна та вентиляційні отвори з простим повітрообміном без додаткового очищення. Сучасні вентиляційні системи, залежно від їх складності, дозволяють не лише підтримувати комфортний мікроклімат, а й ефективно очищати повітря від шкідливих домішок. Сучасні системи включають багатоступеневу фільтрацію з HEPA-фільтрами, активованим вугіллям та UV-стерилізацією, автоматичне 8 регулювання параметрів на основі датчиків, рекуперацію тепла для енергоефективності та зонування з індивідуальним контролем для різних приміщень. Основні фактори, що негативно впливають на якість повітря, включають недостатню вентиляцію, яка сприяє накопиченню шкідливих речовин. Вуглекислий газ при концентрації понад 1000 ppm спричиняє сонливість та зниження концентрації уваги, тоді як норма для офісних приміщень становить до 800 ppm. Сірководень утворюється при розкладанні органічних речовин і навіть у малих концентраціях 0,1-0,3 ppm викликає головний біль. Діоксид азоту надходить з вулиці, особливо в містах з інтенсивним рухом, з гранично допустимою концентрацією 0,085 ppm, а аміак виділяється з чистячих засобів з максимально допустимою концентрацією 35 ppm. Наслідки поганої вентиляції включають синдром хворої будівлі з комплексом симптомів головного болю, втоми та подразнення очей, зниження продуктивності на 15-20% при підвищенні CO₂ до 1500 ppm та підвищення ризику респіраторних захворювань. Забруднене повітря містить токсичні випари від меблів з ДСП, які виділяють формальдегід, особливо небезпечний при концентрації понад 0,1 ppm, побутових хімікатів з розчинниками, клеями та фарбами, що містять леткі органічні сполуки, а також офісної техніки, принтерів та копіювальних апаратів, які виділяють озон та тонерний пил. Біологічні забруднювачі включають пил з мікроскопічними частинками, алергенами та важкими металами, бактерії, які при вологості понад 60% активно розмножуються, та грибки й плісень, особливо небезпечні аспергілли та стахіботріс, що виділяють мікотоксини. Невідповідні показники температури та вологості створюють дисбаланс від оптимальних параметрів: температура 20-24°C взимку та 23-26°C влітку, відносна вологість 40-60% та швидкість руху повітря 0,1-0,2 м/с. Низька вологість менше 30% викликає подразнення слизових, статичну електрику та підвищену запиленість, тоді як висока вологість понад 70% сприяє розмноженню грибків, корозії та неприємному запаху. Температурні коливання створюють стрес для організму та знижують імунітет. 9 Електромагнітні поля створюються великою кількістю електронних пристроїв, включаючи комп'ютери та монітори з частотою 50-60 Гц та інтенсивністю 0,2-2 В/м, Wi-Fi роутери з частотою 2,4-5 ГГц та потужністю до 100 мВт, мобільні телефони з частотою 800-2100 МГц та флуоресцентні лампи з частотою 50 Гц плюс високочастотні гармоніки. Потенційні впливи включають хронічну втому та головний біль, порушення сну та біоритмів, можливі зміни в активності нервової системи та спірні дані щодо канцерогенного впливу. Порушення рівня іонізації відхиляється від нормальних показників легких негативних іонів 1000-3000 іонів/см³, легких позитивних іонів 1000- 1500 іонів/см³ та коефіцієнта уніполярності 0,4-1,0. Причинами порушення іонізації є робота кондиціонерів та вентиляторів, які знижують концентрацію іонів, синтетичні матеріали, що накопичують статичний заряд, та електронні пристрої, які генерують позитивні іони. Наслідки дисбалансу включають перевагу позитивних іонів, що викликає сонливість та подразливість, недостачу негативних іонів, яка знижує стійкість до стресу, та порушення обмінних процесів в організмі. Недотримання вимог до якості повітря в офісних приміщеннях може призвести до зниження продуктивності на 6-9% при погіршенні якості повітря, збільшення кількості лікарняних на 10-20%, додаткових витрат на медичне обслуговування персоналу та необхідності більших витрат на енергоносії при неефективній вентиляції. Важливим завданням є пошук ефективних рішень для автоматизованого контролю параметрів повітряного середовища, які включають датчики CO₂, летких органічних сполук, твердих частинок PM2.5/PM10, контроль температури, вологості, швидкості повітряного потоку, вимірювання рівня освітленості та шуму, а також інтеграцію з системами вентиляції для автоматичного регулювання. Створення здорового мікроклімату в робочих приміщеннях вимагає комплексного підходу, що включає сучасні технології очищення повітря, автоматизований контроль параметрів та регулярний моніторинг якості повітряного середовища. 10 1.3 Іонізація та її роль у підтриманні здоров'я та працездатності людини Знезараження повітря та поверхонь відіграє ключову роль у запобіганні поширенню захворювань, особливо у місцях великого скупчення людей, приміщеннях з недостатньою вентиляцією або системами рециркуляції повітря. Сучасні методи знезараження активно використовують фізичні впливи, які ефективно нейтралізують віруси, бактерії та грибки. Одним із найбільш дієвих способів є застосування ультрафіолетового випромінювання, яке руйнує структуру мікроорганізмів, запобігаючи їх розмноженню. Поєднання УФ-опромінення з іншими методами, такими як озонування та іонізація, підвищує ефективність знезараження. Іонізація – це процес утворення або руйнування іонів у повітрі, який може бути природним або штучним. Вона має як позитивні, так і негативні ефекти. До переваг іонізації належать: – Зменшення кількості пилу та алергенів у приміщенні. – Зниження концентрації неприємних запахів. – Однак надмірна іонізація може мати негативні наслідки: – Утворення озону у високих концентраціях, що може бути шкідливим для здоров’я. – Висока концентрація іонів здатна викликати подразнення дихальних шляхів. – Надмірна іонізація може спричиняти електростатичне навантаження. Штучні іонізатори бувають різних типів: електричні уніполярні та біполярні, радіоактивні, пристрої з використанням розбризкування води або ультрафіолетового випромінювання. Найпоширенішими є іонізатори, що працюють на основі коронного розряду. Поєднання різних методів знезараження дозволяє створити ефективні системи очищення повітря, що сприяють підтриманню здорового мікроклімату у приміщеннях. 11 Рисунок 1.1 – Іонізатор повітря Першими були впроваджені уніполярні іонізатори, які, крім позитивного впливу, створювали електростатичне поле та генерували озон. Сучасні технології штучної іонізації включають кілька типів пристроїв: 1. Термоелектронні аероіонізатори – працюють на основі термоелектронної емісії, що виникає при нагріванні металів до високих температур (500–2000 ºС). 2. Радіоізотопні аероіонізатори – використовують випромінювання радіоактивних речовин для іонізації повітря. 3. Фотоелектричні аероіонізатори – застосовують короткохвильове ультрафіолетове випромінювання, що генерується ртутнокварцовими лампами. 4. Гідродинамічні аероіонізатори – працюють за принципом електризації дрібних крапель рідини, що утворюються при розпиленні води. 5. Коронні аероіонізатори – іонізують повітря за допомогою коронного розряду, що виникає поблизу вістря або тонкого дроту при високій напрузі. 12 Рівень іонізації в офісному приміщенні змінюється протягом дня залежно від кількості працюючих електронних пристроїв, таких як комп’ютери, монітори та принтери. Це може спричиняти електростатичне навантаження та коливання рівня іонізації в різних зонах приміщення. Додатково, використання іонізаторів сприяє очищенню повітря, зменшенню концентрації пилу та алергенів. Однак важливо враховувати, що надмірна іонізація може призводити до утворення озону у високих концентраціях, що може негативно впливати на здоров’я працівників. Баланс між позитивно та негативно зарядженими іонами має бути оптимальним, оскільки надлишок позитивних іонів може спричиняти втому, головний біль та зниження концентрації. Крім того, природні джерела іонізації, такі як рослини, водні поверхні та вентиляційні системи, можуть сприяти підтриманню здорового мікроклімату. Дослідження показують, що повітря, насичене негативно зарядженими іонами, сприяє покращенню самопочуття, підвищенню рівня енергії та зменшенню стресу. Загалом, підтримання оптимального рівня іонізації позитивно впливає на якість повітря в офісному просторі, знижує ризик захворювань, мінімізує вплив алергенів та неприємних запахів, що сприяє підвищенню продуктивності працівників. Використання сучасних іонізаторів у поєднанні з ефективною вентиляцією та регулярним моніторингом параметрів повітря дозволяє створити комфортне та здорове робоче середовище. 1.4 Електромагнітне випромінювання в просторі з високою концентрацією електронних пристроїв В офісному середовищі людина постійно перебуває поруч із численними електронними пристроями, які генерують електромагнітні поля. При одночасній роботі великої кількості техніки, зокрема персональних комп’ютерів, утворюється значне магнітне поле, що може негативно впливати на здоров’я працівників. Організм людини має механізми відновлення пошкоджених клітин, але цей процес займає значний час. При тривалому впливі електромагнітного 13 випромінювання ушкодження можуть стати незворотними. Найбільший внесок у електромагнітне забруднення приміщень роблять кабельні лінії, розподільні щити та трансформатори. Електромагнітні поля (ЕМП) – це змінні електричні та магнітні поля, що поширюються у просторі у формі хвиль. Їхній біологічний вплив залежить від частоти, інтенсивності та тривалості дії. Дослідження показують, що тривале опромінення може спричиняти як гострі, так і хронічні порушення в роботі нервової, серцево-судинної, ендокринної та кровотворної систем. Основні джерела магнітних полів в офісах: – Мікрохвильові печі – рекомендується триматися на відстані не менше 30 см під час роботи. – Холодильники – безпечна дистанція варіюється від 30 см до 1,5 м. – Електричні чайники – зона випромінювання до 25 см. – Телевізори та монітори – мінімальна відстань 1,5 м, для великих екранів – 2 м і більше. – Кондиціонери – рекомендується перебувати не ближче 1,5 м. – Комп’ютери – бажано розташовуватися не ближче 80 см від екрану. Щодо мобільних телефонів, поки немає однозначних наукових доказів їхнього негативного впливу, але їхнє випромінювання може мати певний ефект на організм. Електромагнітні поля також впливають на якість повітря в офісному приміщенні, спричиняючи: – Підвищення температури – що змінює рівень вологості. – Накопичення пилу та часток – магнітні поля можуть сприяти їх осіданню. – Електростатичне навантаження – пил та частинки можуть прилипати до поверхонь, забруднюючи приміщення. Зменшення впливу електромагнітних полів можливе завдяки правильному розташуванню техніки, використанню захисних екранів та регулярному провітрюванню приміщень. Це сприятиме покращенню мікроклімату та збереженню здоров’я працівників. 14 Принципи та системи контролю якості повітря в приміщенні Забезпечення якісного повітря в офісному приміщенні є важливим фактором для створення комфортних та безпечних умов роботи. Сучасні технології дозволяють впроваджувати автоматизовані системи моніторингу та регулювання параметрів повітряного середовища. Хоча питання підтримання належної якості повітря не є новим, накопичений досвід включає оптимальне розташування робочих місць, правильне використання електроприладів, застосування іонізаторів та інтеграцію комплексних автоматизованих рішень. Такі системи базуються на сенсорах, що вимірюють ключові параметри: температуру, вологість, концентрацію газів та хімічних речовин у повітрі. У багатьох випадках вони оснащені пристроями для вентиляції, обігріву та іонізації, що дозволяє підтримувати оптимальні умови. Для ефективної роботи ці системи потребують налаштування та регулярного обслуговування, враховуючи як загальні вимоги, так і індивідуальні потреби працівників, що сприяє підвищенню продуктивності та комфорту в офісному середовищі. 1.5 Аналіз наявних методів впровадження автоматизованих систем контролю якості повітря в приміщенні. На сьогодні існує широкий спектр систем для моніторингу якості повітря в приміщеннях, зокрема в офісах. Одним із прикладів реалізації такої системи є рішення, що використовує мікроконтролер PIC18F452 як основний вимірювальний та керуючий елемент. Деякі гази, такі як пропан і метан, широко застосовуються в промисловості та на кухнях, але їх неконтрольоване накопичення може становити серйозну загрозу. Високі концентрації шкідливих речовин потребують постійного моніторингу, щоб оперативно виявляти перевищення допустимих норм і вчасно реагувати. Більшість доступних на ринку систем є дорогими, громіздкими та складними у впровадженні, що створює потребу в більш доступних рішеннях із аналогічною функціональністю. 15 Для вирішення цієї проблеми була розроблена система, що включає датчики для контролю рівня зрідженого газу, метану, пропану, чадного газу, диму та температури. Всі показники передаються на РК-дисплей з оновленням кожну секунду. У разі перевищення допустимих значень система автоматично активує відповідні заходи безпеки. Крім того, дані передаються до диспетчерського центру через бездротове з’єднання, що дозволяє оперативно реагувати на небезпечні ситуації. Такі рішення сприяють підвищенню рівня безпеки в приміщеннях, забезпечуючи ефективний контроль параметрів повітря та своєчасне реагування на потенційні загрози. Рисунок 1.2 – Схема системи для виявлення вогню [7] Мікроконтролер здійснює постійний моніторинг показників усіх датчиків. У разі виявлення газу одним із сенсорів, система надсилає сигнал до мікроконтролера, який, на основі попередньо виконаних розрахунків, активує відповідну реакцію. 16 Залежно від ситуації, система може запускати водяний спринклер, активувати витяжний вентилятор, виводити дані на РК-дисплей або передавати інформацію до диспетчерського центру для подальшого реагування. Такі механізми дозволяють оперативно контролювати рівень газів у приміщенні та забезпечувати безпеку. Рисунок 1.3 – Схема системи командно-диспетчерського центру Ця система розроблена з акцентом на економічну ефективність, портативність і простоту впровадження, зберігаючи при цьому всі ключові функції. Вона дозволяє одночасно контролювати концентрацію певних речовин у повітрі, що дає змогу регулювати повітрообмін у приміщенні та оперативно реагувати на зміни. Завдяки автоматизованому режиму роботи система швидко аналізує дані в реальному часі, що сприяє своєчасному прийняттю коригувальних заходів. Попри свою доступність і простоту впровадження, система має обмежений функціонал. Вона здатна визначати наявність певних газів у приміщенні та виконувати базові дії для покращення якості повітря. Однак її основна роль полягає у забезпеченні безпеки, зосереджуючись на виявленні шкідливих 17 випарів і газів та їх усуненні за допомогою вентиляції. Використання недорогих компонентів може впливати на довговічність і стабільність роботи системи. Щоб оцінити альтернативні підходи, варто розглянути іншу реалізацію системи, представлену в дослідженні e-nose. Її архітектура пропонує більш комплексний підхід до аналізу повітряного середовища, що може бути корисним для розширення функціональних можливостей. Рисунок 1.4 – Запропонована архітектура системи e-nose [8] Система моніторингу якості повітря в режимі реального часу забезпечує точний аналіз концентрації забруднюючих речовин у навколишньому середовищі. Вона дозволяє отримувати детальну інформацію про стан повітря та планувати заходи для його покращення. Система e-nose складається з двох основних компонентів: блоку виявлення та зв’язку, що включає матрицю датчиків на базі мікроконтролера ESP32 з вбудованим Wi-Fi, та мобільного інтерфейсу користувача для Android/iOS. ESP32 є недорогим і продуктивним 32-розрядним контролером, який часто використовується в IoT-рішеннях. Він має двоядерну структуру та інтегровані модулі, такі як Wi-Fi, Bluetooth, RF, IR, CAN, Ethernet, а також датчики 18 температури, ефекту Холла та дотику, що робить його ідеальним для розумних систем моніторингу. Блок детектування включає датчики GP2Y1010AU, MH-Z14, MICS-4514 і DHT22, які вимірюють рівень CO₂, CO, PM10, NO₂, температуру та вологість. Дані оновлюються кожні 5 секунд, а середнє значення розраховується на основі 12 вимірювань, що мінімізує вплив помилкових показників. Користувачі отримують сповіщення про перевищення порогових значень концентрації газів та кліматичних параметрів. Система e-nose передає дані безпосередньо на хмарний сервер Blynk через мобільний додаток, що дозволяє користувачам отримувати інформацію про стан повітря та переглядати історію вимірювань. Якщо з’єднання з Інтернетом тимчасово відсутнє, дані зберігаються та надсилаються після відновлення зв’язку, що забезпечує безперервність моніторингу. Хоча система e-nose забезпечує зручний доступ до даних через мобільний додаток та автоматичне сповіщення про небезпечні ситуації, вона не має виконавчих елементів для активного регулювання параметрів повітря. У магістерській дисертації розглядається інтеграція вимірювальних та регулюючих механізмів, що дозволяє не лише контролювати якість повітря, а й впливати на його параметри через автоматизоване програмне забезпечення. Новизна запропонованої системи полягає у впровадженні програмного забезпечення для автоматизованого вимірювання та регулювання, що дозволяє контролювати якість повітря без необхідності втручання людини. У цьому розділі також розглянуто базові вимоги до якості повітря в офісних приміщеннях, їх залежність від типу офісу, вплив негативних факторів та санітарні норми, встановлені державними стандартами. 19 РОЗДІЛ 2 ПРОЕКТУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ ЯКОСТІ ПОВІТРЯ 2.1 Поширені методи аналізу речовинного складу повітря Для оцінки параметрів якості повітря, зокрема в офісних приміщеннях, використовуються різні методи та технічні пристрої, що базуються на певних технологіях та формують вимірювальні комплекси. Вимірювальна система (ВС) являє собою сукупність взаємопов’язаних елементів, включаючи керуючий модуль, набір датчиків та виконавчі механізми, призначені для збору даних, їх аналізу та регулювання параметрів повітряного середовища. За принципом визначення величини вимірювальні засоби поділяються на дві основні категорії: пристрої прямої дії та порівняльного аналізу. Прилади прямої дії безпосередньо фіксують значення вимірюваного параметра та містять компоненти, що перетворюють отримані дані у сигнали та, за потреби, посилюють їх. Засоби порівняння визначають значення параметрів шляхом зіставлення з еталонними величинами. Рисунок 2.1 – Схема вимірювального приладу: 1 – вимірювальна система, що включає первинні перетворювачі, еталонні міри та аналогово-цифрові конвертери; 2 – модуль математичної обробки вимірюваних даних; 20 3 – блок передачі та збереження інформації; 4 – пристрої для візуалізації отриманих результатів; 5 – автоматизований модуль керування вимірювальною системою [9]. Вимірювальні системи можуть мати різну конструкцію залежно від сфери застосування – наукових досліджень, промислових процесів, технічних рішень чи автоматизованих комплексів. Їхнє основне завдання полягає у забезпеченні високої точності вимірювань, надійного моніторингу параметрів та забезпеченні необхідного рівня контролю. Для аналізу якості повітря використовують різні методи та технології, що дозволяють визначати основні параметри. На основі отриманих даних можна приймати рішення щодо корекції показників повітряного середовища, якщо вони не відповідають встановленим санітарним нормам. Далі розглянемо основні методи, що лежать в основі вимірювальних приладів та систем моніторингу повітря. Методи вимірювання пилу в повітрі Контроль рівня пилового забруднення в офісному приміщенні є важливим аспектом забезпечення якісного повітряного середовища, оскільки перевищення допустимих концентрацій пилу може спричиняти додаткові проблеми, що негативно впливають на здоров’я працівників. Для цього застосовуються різні методи вимірювання, реалізовані за допомогою спеціалізованих технічних засобів. Пил є одним із основних компонентів промислових викидів, що забруднюють атмосферне повітря. В Україні та інших країнах світу його концентрацію оцінюють за показником масової концентрації пилу (np), який визначає сумарну масу частинок пилу в одиниці об’єму повітря. Однак, крім цього параметра, важливими є також хімічний склад пилу, розмір частинок та їх розподіл. Методи вимірювання концентрації пилу поділяються на дві основні групи: 1. Методи з попереднім осадженням пилу – передбачають накопичення частинок на спеціальних поверхнях перед аналізом. 21 2. Методи без попереднього осадження – дозволяють проводити вимірювання безпосередньо у повітрі. Методи без попереднього осадження пилу поділяються на дві підгрупи: − Оптичні – базуються на явищах поглинання та розсіювання світла частинками пилу. Вимірювання здійснюється шляхом аналізу ослаблення світлового потоку при проходженні через запилене повітря або розсіювання світла частинками пилу. − Електростатичні – використовують вимірювання сумарного електричного заряду пилових частинок, що дозволяє оцінити їх концентрацію. Крім того, у системах, що вимірюють рівень запиленості та впливають на очищення повітря, широко застосовуються фільтраційні методи. У вентиляційних системах та повітряних очисниках встановлюються спеціальні фільтри, які ефективно затримують пилові частинки та запобігають їх поширенню. Сучасні технології дозволяють інтегрувати вимірювальні системи з автоматизованими механізмами регулювання, що забезпечує не лише моніторинг, а й активне управління параметрами повітряного середовища. Це сприяє створенню комфортного та безпечного робочого простору. Вимірювання параметру вологості повітря Контроль рівня вологості повітря є важливим аспектом забезпечення комфортного та здорового середовища в офісах, житлових приміщеннях, промислових об’єктах і складах. Вологість вимірюється у відсотках і впливає на якість повітря, самопочуття людей та ефективність роботи вентиляційних систем. Одним із основних засобів для вимірювання вологості є гігрометри, які працюють на різних принципах, зокрема конденсаційних та ємнісних. Основні методи вимірювання вологості: − Сорбційні методи – базуються на зміні фізичних властивостей матеріалів залежно від кількості поглинутої ними водяної пари. При досягненні динамічної рівноваги між конденсацією та випаровуванням 22 маса поглинутої вологи залишається стабільною та залежить від відносної вологості повітря. − Психрометричний метод – забезпечує високу точність і простоту вимірювання. Він ґрунтується на залежності швидкості випаровування води від вологості навколишнього повітря. Психрометри складаються з двох термометрів: "сухого", що вимірює температуру повітря, та "змоченого", який визначає температуру випарної поверхні. − Електрофізичні методи – використовують процеси випаровування та конденсації для визначення концентрації водяної пари в повітрі. Вони широко застосовуються у метеорологічних дослідженнях. − Вплив вологості на робоче середовище: − Низька вологість може спричиняти сухість слизових оболонок, подразнення дихальних шляхів, підвищену вразливість до респіраторних інфекцій, а також сухість шкіри та волосся. − Надмірна вологість сприяє розвитку плісняви та грибків, що може негативно впливати на здоров’я працівників. − Дисбаланс вологості може впливати на роботу вентиляційних та опалювальних систем, сприяючи накопиченню шкідливих бактерій. Способи підтримання оптимальної вологості: − Використання зволожувачів або осушувачів повітря залежно від потреб приміщення. − Інтеграція автоматизованих систем контролю вологості, що регулюють параметри повітряного середовища. − Врахування погодних умов та сезонних змін для коригування рівня вологості. Забезпечення оптимального рівня вологості сприяє комфортній роботі, збереженню здоров’я працівників та підтриманню належної якості повітря. Вимірювання параметра температури Температурний режим відіграє ключову роль у підтримці якості повітря в офісному приміщенні, оскільки його значення впливає на рівень вологості, 23 концентрацію вуглекислого газу та загальний комфорт працівників. Відсутність належного контролю температури може призводити до недостатньої циркуляції повітря, що сприяє накопиченню забруднюючих речовин. Методи вимірювання температури Одним із важливих аспектів організації температурного моніторингу є вибір температурної шкали, що забезпечує точність та порівнянність даних. У міжнародній практиці використовується Міжнародна практична температурна шкала (МПТШ-68), прийнята Міжнародним комітетом мір і ваг у 1968 році. Методи вимірювання температури поділяються на дві основні групи: − Прямі методи – базуються на використанні термометричних тіл, які безпосередньо контактують із середовищем. До таких методів належать ртутні термометри, терморезистори та термопари. − Непрямі методи – ґрунтуються на залежності фізичних параметрів середовища від його температури. Наприклад, швидкість поширення звукових хвиль у повітрі змінюється залежно від температури. До цієї групи також належать безконтактні методи, що використовують закони температурного випромінювання. Безконтактні методи широко застосовуються для дистанційного вимірювання температури поверхонь та атмосфери, що дозволяє оцінювати рівень забруднення територій. Температурний режим в офісному приміщенні є одним із ключових факторів, що впливає на якість повітря, комфорт та продуктивність працівників. Оптимальна температура сприяє підтриманню здорового мікроклімату, а її коливання можуть негативно позначатися на загальному самопочутті. Відсутність належного контролю температури може призводити до порушення циркуляції повітря, спричиняючи підвищення концентрації вуглекислого газу та інших забруднювачів. Існують стандартизовані межі комфортної температури для офісних приміщень, що залежать від сезону: у холодний період року для легкої фізичної праці рекомендована температура становить 22–24°C, а в теплий період — 23–25°C. Згідно з санітарними нормами, 24 рівень температури повинен забезпечувати комфортні умови для працівників та відповідати вимогам щодо мікроклімату. Температура повітря безпосередньо впливає на концентрацію, працездатність та загальний стан організму. Дослідження показують, що при температурі нижче 20°C працівники можуть відчувати дискомфорт, зниження продуктивності та підвищену втому. Температура понад 26°C призводить до зменшення концентрації, сонливості та втрати ефективності. Оптимальний діапазон температури, який забезпечує комфорт і максимальну продуктивність, становить 22–25°C. В офісних приміщеннях на температуру впливають такі фактори, як вентиляція та кондиціонування, розташування офісу, кількість електронних пристроїв, а також чисельність персоналу. Велика кількість працюючої техніки, зокрема комп’ютерів, моніторів, принтерів, сприяє підвищенню температури у приміщенні. Регулювання температурного режиму в офісах можливе завдяки використанню систем кондиціонування та автоматизованих механізмів контролю мікроклімату. Зонування простору та застосування термоізоляційних матеріалів сприяє рівномірному розподілу тепла та холоду. Використання жалюзі або сонцезахисних плівок дозволяє зменшити перегрів у теплу пору року. Забезпечення оптимального температурного режиму сприяє збереженню комфорту, поліпшенню самопочуття працівників та підвищенню продуктивності. Правильний підхід до контролю температури гарантує здорове робоче середовище, що позитивно впливає на ефективність праці та загальне благополуччя. Проведено аналіз методів вимірювання параметрів якості повітря та розглянуто питання забезпечення точності вимірювань. Описано основні методики контролю температури, вологості та концентрації пилу, а також технічні засоби, що використовуються для цих цілей. Особливу увагу приділено методам вимірювання температури, їх класифікації та практичному застосуванню. 25 2.2 Опис структурної схеми автоматизації керування якістю повітря в приміщенні Структура автоматизованої системи управління та контролю якості повітря в офісному приміщенні базується на класичній моделі керування зі зворотним зв’язком. Запропонована система складається з апаратних і програмних компонентів, які взаємодіють між собою та забезпечують регулювання параметрів повітряного середовища. Стан контрольованого об’єкта безперервно відстежується за допомогою датчиків, а отримані дані використовуються для коригування роботи системи відповідно до заданих критеріїв. Рисунок 2.2 – Узагальнена структурна схема автоматизованої системи контролю якості повітря в приміщенні Запропонована система автоматизованого контролю якості повітря в офісному приміщенні (АСКЯПОП) є комплексним рішенням, що включає взаємопов’язані структурні, функціональні та інформаційні елементи. Вона характеризується багатокомпонентною архітектурою, яка забезпечує моніторинг, аналіз та регулювання параметрів повітряного середовища. Завдяки інтеграції різних технологічних компонентів система дозволяє підтримувати 26 оптимальні умови мікроклімату, що сприяє комфорту та продуктивності працівників. Основні підсистеми АСКЯПОП Структурна схема системи включає три ключові підсистеми: 1. Система керування (СК) – містить центральний обчислювальний модуль (мікроконтролер, контролер або мікрокомп’ютер), який координує роботу виконавчих механізмів. До складу цієї підсистеми входять пристрої для керування опаленням, вентиляцією, кондиціонуванням, а також спеціальні прилади для регулювання параметрів повітряного середовища. Основне завдання СК – забезпечення стабільного функціонування системи та коригування параметрів повітря відповідно до встановлених норм. 2. Об’єкт керування (ОК) – у даному випадку це офісне приміщення, в якому здійснюється контроль якості повітря. Основними параметрами, що підлягають моніторингу, є температура, вологість, рівень іонізації, концентрація пилу та газів. Система аналізує ці показники та приймає рішення щодо їх коригування. 3. Зворотний зв’язок (ЗЗ) – реалізується за допомогою датчиків, які вимірюють ключові параметри повітряного середовища. До складу цієї підсистеми входять сенсори температури, вологості, рівня CO₂, концентрації пилу, а також газоаналізатори для виявлення шкідливих речовин. Дані, отримані від датчиків, передаються до системи керування, що дозволяє оперативно реагувати на зміни та підтримувати оптимальні умови. Додаткові можливості системи − Автоматичне регулювання параметрів – система може самостійно коригувати роботу вентиляції, кондиціонування та інших механізмів для підтримання комфортного мікроклімату. − Інтеграція з IoT – можливість підключення до хмарних платформ для аналізу даних та дистанційного керування. 27 − Збереження історичних даних – система може вести журнал змін параметрів повітря, що дозволяє аналізувати тенденції та прогнозувати необхідність коригувальних заходів. На рис. 2.3 представлена структурна схема автоматизованої системи контролю якості повітря, що демонструє взаємодію її основних компонентів. Рисунок 2.3 – Деталізована структурна схема АСКЯПОП Вхідні параметри для системи керування (СК) включають задані значення температури, вологості, концентрації пилу, рівня CO₂ та іонізації відповідно до стандартів якості повітря. Всі показники повинні підтримуватися у визначених межах із допустимим відхиленням. Відповідно до [2], оптимальна температура в офісному приміщенні варіюється від +21°C до +25°C. Блок СК складається з кількох ключових компонентів: − МК – мікроконтролер, що виконує обробку даних та управління системою. − СЗ – система комунікації, що забезпечує зв’язок між датчиками та виконавчими механізмами. 28 − ВЕ – виконавчі елементи, такі як вентилятори, кондиціонери, обігрівачі та іонізатори, що коригують параметри повітря. Перед початком роботи система проходить етап початкового налаштування, включаючи перші вимірювання поточних параметрів. Отримане значення відхилення x визначає різницю між фактичним та заданим показником. Знак x є критичним, оскільки він вказує на необхідність корекції – підвищення чи зниження певного параметра. Фактори впливу на якість повітря На якість повітря впливають як внутрішні, так і зовнішні чинники, такі як: − Погодні умови та сезонні зміни. − Кількість працюючих електропристроїв. − Кількість людей у приміщенні. − Зовнішні забруднювачі, що можуть проникати з вентиляційними потоками. Опис елементів системи керування АСКЯПОП (рис. 2.3): 1. Контроль температури – Для підтримки оптимального діапазону температури (21–25°C) використовуються обігрівачі, кондиціонери та вентиляційні системи. Датчик температури вимірює поточне значення, яке порівнюється з заданим (наприклад, 23°C), і система коригує параметри. 2. Контроль вологості – Оптимальний рівень вологості знаходиться у межах 40–60% [2]. Контроль здійснюється через зволожувачі, кондиціонери та вентиляцію. Система аналізує поточне значення вологості, а виконавчі елементи регулюють її рівень відповідно до встановлених меж. 3. Концентрація пилу – Відповідно до даних ВООЗ [10], допустима концентрація PM2.5 становить ≤12 мкг/м³, а PM10 не повинна перевищувати 20 мкг/м³. Використовуються датчики пилового забруднення, іонізатори та фільтраційні системи, а також необхідні профілактичні заходи, такі як регулярне вологе прибирання. 29 4. Рівень CO₂ – Вміст вуглекислого газу залежить від кількості людей у приміщенні та рівня вентиляції. Оптимальна концентрація CO₂ для комфортної роботи – 400–600 ppm [11]. Датчик визначає поточний рівень і порівнює його із встановленими нормами. Якщо концентрація перевищує допустимий рівень, система активує механізми вентиляції. 5. Рівень іонізації – Згідно [12], оптимальна кількість іонів у повітрі становить 1500–3000 іонів/см³. Іонізатори допомагають підтримувати необхідний рівень іонізації, що позитивно впливає на самопочуття працівників та зменшує концентрацію пилу та алергенів. Проаналізовано структурну схему автоматизованої системи керування якістю повітря в офісі. − Описано загальний принцип її роботи, архітектуру та взаємодію елементів. − Детально розглянуто вимірювальні компоненти, що забезпечують зворотний зв’язок для автоматизованого регулювання параметрів повітря. − Розкрито роль кожного датчика та його функціональні особливості в системі. 2.3 Сенсорні технологій для моніторингу параметрів повітря Вибір та характеристика сенсорних технологій для моніторингу параметрів повітря представляє комплексну галузь інженерних рішень, що поєднує різноманітні фізичні принципи детекції, електронні схеми та алгоритми обробки даних для забезпечення точного та надійного контролю якості повітряного середовища. Сучасні сенсорні системи моніторингу параметрів повітря базуються на декількох основних технологічних платформах, кожна з яких має специфічні переваги, обмеження та області застосування. Датчики вуглекислого газу (CO₂) представляють найбільш критичну компоненту систем моніторингу внутрішнього повітря, оскільки концентрація CO₂ є основним індикатором якості вентиляції приміщень. Інфрачервоні (NDIR 30 - Non-Dispersive Infrared) датчики CO₂ працюють на принципі поглинання інфрачервоного випромінювання молекулами вуглекислого газу на довжині хвилі 4.26 мкм. Певний діапазон довжини хвилі випромінюваного джерелом світла на ділянці вимірювання гаситься (поглинається) молекулами CO₂. Ці датчики забезпечують високу точність вимірювань у діапазоні від 400 до 10000 ppm з похибкою не більше ±30 ppm для концентрацій до 5000 ppm. Фотоакустичні датчики CO₂ використовують ефект фотоакустичного поглинання, коли молекули газу поглинають модульоване інфрачервоне випромінювання та генерують акустичні хвилі, що реєструються мікрофоном. Електрохімічні датчики CO₂ працюють на основі реакції газу з електролітом, що призводить до зміни електропровідності або генерації електричного струму, проте вони менш поширені через нижчу селективність та стабільність. Датчики твердих частинок (PM - Particulate Matter) використовують оптичні методи детекції для вимірювання концентрації пилу різних фракцій PM1, PM2.5 та PM10. Станція моніторингу якості повітря SaveEcoSensor 3.0 дозволяє вимірювати вміст пилу фракцій 2.5 та 10 мікронів у повітрі (PM2.5 і PM10) та В режимі реального часу визначають рівень пилу РМ2.5 і РМ10. Лазерні розсіювальні датчики використовують принцип розсіювання лазерного променя на частинках пилу, де інтенсивність розсіяного світла пропорційна концентрації та розміру частинок. Сучасні датчики типу PMS5003 забезпечують діапазон вимірювань від 0 до 1000 мкг/м³ з роздільною здатністю 1 мкг/м³ та похибкою ±10 мкг/м³ для концентрацій до 100 мкг/м³. Нефелометричні датчики вимірюють розсіювання світла під кутом 90° для визначення концентрації частинок, забезпечуючи високу чутливість до дрібних частинок. Гравіметричні методи, хоча й найточніші, використовуються переважно в лабораторних умовах через тривалість процесу вимірювання та складність обладнання. Датчики летких органічних сполук (VOC - Volatile Organic Compounds) включають широкий спектр технологій для детекції різноманітних хімічних речовин у повітрі. На якість повітря негативно впливають два аспекти - це кількість, що міститься в повітрі, CO2 і VOC (летючі органічні речовини). 31 Металооксидні напівпровідникові датчики (MOX) використовують зміну електропровідності оксидів металів при взаємодії з органічними молекулами, забезпечуючи широкий діапазон детекції VOC від 1 ppb до 1000 ppm з швидкою реакцією на зміни концентрації. Фотоіонізаційні детектори (PID) застосовують ультрафіолетове випромінювання для іонізації органічних молекул та вимірювання іонного струму, що забезпечує високу чутливість та селективність до специфічних сполук. Електрохімічні датчiki VOC працюють на принципі окислення або відновлення цільових молекул на електродах, генеруючи електричний сигнал пропорційний концентрації газу. Датчики формальдегіду (HCHO) представляють спеціалізовану категорію сенсорів для детекції одного з найбільш поширених та небезпечних внутрішніх забруднювачів повітря. Електрохімічні датчики формальдегіду забезпечують селективну детекцію HCHO у діапазоні від 0.01 до 10 ppm з високою стабільністю та тривалим терміном служби до 5 років. Каталітичні датчики використовують специфічні каталізатори для селективного окислення формальдегіду, що забезпечує мінімальну перехресну чутливість до інших VOC. Спектрофотометричні методи базуються на колориметричній реакції формальдегіду з специфічними реагентами, забезпечуючи лабораторну точність у портативних пристроях. Датчики температури та вологості є базовими компонентами будь-якої системи моніторингу якості повітря, оскільки ці параметри безпосередньо впливають на комфорт та здоров'я людей. Резистивні датчики температури (RTD) використовують зміну електричного опору металів при зміні температури, забезпечуючи високу точність ±0.1°C у діапазоні від -50°C до +200°C. Термісторні датчики базуються на температурній залежності опору напівпровідникових матеріалів, забезпечуючи швидку реакцію та високу чутливість при нижчій вартості. Ємнісні датчики вологості вимірюють зміну діелектричної проникності гігроскопічного матеріалу при поглинанні вологи, забезпечуючи точність ±2% відносної вологості у діапазоні від 0 до 100%. Резистивні датчики вологості використовують зміну електропровідності 32 полімерних або керамічних матеріалів при взаємодії з водяною парою. Комбіновані мультисенсорні платформи представляють найбільш перспективний напрямок розвитку технологій моніторингу якості повітря, оскільки вони дозволяють одночасно контролювати множину параметрів за допомогою єдиного пристрою. Багатофункціональний 9 в 1 детектор якості повітря CO2,CO,AQI ,формальдегідів,TVOC,HCHO,пилу PM10, PM2,5 демонструє сучасні можливості інтеграції різних сенсорних технологій. Такі системи включають мікропроцесорні блоки обробки даних, алгоритми калібрування та компенсації перехресних впливів, бездротові інтерфейси передачі даних та системи енергоменеджменту для забезпечення тривалої автономної роботи. Технологія безпроводової передачі даних відіграє критичну роль у сучасних системах моніторингу якості повітря, забезпечуючи централізований збір та аналіз інформації з множини розподілених датчиків. Wi-Fi інтерфейси забезпечують високошвидкісну передачу даних та інтеграцію з існуючими мережевими інфраструктурами, але мають підвищене енергоспоживання. Bluetooth Low Energy (BLE) технології оптимізовані для періодичної передачі невеликих обсягів даних з мінімальним енергоспоживанням, що забезпечує багаторічну автономну роботу від батарей. LoRaWAN протоколи дозволяють створювати розгалужені мережі датчиків з дальністю передачі до декількох кілометрів при мінімальному енергоспоживанні. Zigbee мережі забезпечують mesh-топологію з автоматичним маршрутизуванням та високою надійністю передачі даних у промислових умовах. Калібрування та метрологічне забезпечення сенсорних систем є критично важливими аспектами забезпечення точності та надійності вимірювань. Первинна заводська калібрування здійснюється за допомогою еталонних газових сумішей з відомими концентраціями цільових компонентів у контрольованих умовах температури та вологості. Періодичне повторне калібрування необхідне для компенсації дрейфу характеристик сенсорів через старіння матеріалів та накопичення забруднень на активних поверхнях. Перехресна калібрування 33 використовує статистичні методи для корекції показань датчиків на основі порівняння з еталонними приладами або іншими сенсорами в мережі. Автоматичні системи калібрування включають періодичну подачу еталонних газових сумішей або використання внутрішніх еталонних джерел для контролю стабільності характеристик. Алгоритми обробки даних та штучного інтелекту дозволяють значно підвищити точність та інформативність систем моніторингу якості повітря. Цифрова фільтрація сигналів забезпечує придушення шумів та артефактів, спричинених електромагнітними перешкодами або механічними вібраціями. Алгоритми машинного навчання дозволяють виявляти складні закономірності у даних та прогнозувати зміни якості повітря на основі історичних трендів та зовнішніх факторів. Системи розпізнавання образів можуть ідентифікувати специфічні джерела забруднення або аномальні ситуації на основі характерних комбінацій показань різних датчиків. Нейронні мережі забезпечують адаптивну компенсацію дрейфу характеристик сенсорів та оптимізацію алгоритмів калібрування на основі накопиченого досвіду експлуатації. Енергоменеджмент є критично важливим аспектом проектування автономних сенсорних систем, особливно для батарейного живлення у віддалених або важкодоступних місцях. Мікроконтролери з ультранизьким енергоспоживанням дозволяють реалізувати режими глибокого сну з пробудженням за таймером або зовнішніми подіями, знижуючи середнє енергоспоживання до мікроватів. Адаптивні алгоритми управління частотою вимірювань дозволяють збільшувати інтервали між зчитуваннями датчиків у стабільних умовах та підвищувати частоту при виявленні змін. Системи збору енергії з навколишнього середовища, включаючи сонячні панелі, термоелектричні генератори або п'єзоелементи, можуть забезпечувати повністю автономну роботу сенсорних вузлів. Суперконденсатори та літій-іонні акумулятори з низьким саморозрядом забезпечують ефективне накопичення та використання зібраної енергії. 34 Стандартизація та сертифікація сенсорних систем моніторингу якості повітря регулюється міжнародними та національними стандартами, що визначають метрологічні характеристики, методи випробувань та вимоги до експлуатаційної надійності. Стандарт ISO 16000 серії регламентує методи вимірювання внутрішніх забруднювачів повітря, включаючи VOC, формальдегід та інші хімічні сполуки. Європейський стандарт EN 12341 визначає еталонні методи вимірювання PM10 та PM2.5, а стандарти CEN/TS 16976 регламентують характеристики індикативних методів вимірювання твердих частинок. Сучасні компактні датчики, сертифіковані за Європейськими стандартами, в режимі онлайн надають громадянам інформацію про стан та безпечність повітря. Національні стандарти України, включаючи ДСТУ та ДСанПіН, встановлюють гранично допустимі концентрації забруднювачів та вимоги до систем контролю якості повітря у різних типах приміщень. Перспективи розвитку сенсорних технологій моніторингу якості повітря включають мініатюризацію датчиків до рівня MEMS-структур, інтеграцію множини сенсорів на єдиному кристалі, використання наноматеріалів для підвищення чутливості та селективності, розробку біосенсорів для детекції біологічних забруднювачів, впровадження технологій Інтернету речей для створення глобальних мереж моніторингу та використання штучного інтелекту для прогнозування та попередження забруднення повітря, що в сукупності дозволить створити всеосяжні системи контролю якості повітряного середовища з безпрецедентною точністю та функціональністю. 35 РОЗДІЛ 3 ФУНКЦІОНАЛЬНА МОДЕЛЬ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ПОВІТРЯ 3.1 Опис функціональної схеми системи Проаналізуємо створену [9] функціональну модель автоматизованої системи управління якістю повітря в офісному просторі (рис. 3.1). Рисунок 3.1 – Функціональна схема АСКЯП в приміщенні На схемі графічно представлено структуру офісного приміщення, що включає основну робочу зону, санвузол та окреме приміщення, яке може використовуватися як кімната для відпочинку. У межах офісного простору розміщені різноманітні датчики та виконавчі механізми, які здійснюють моніторинг параметрів повітря та забезпечують їх регулювання відповідно до встановлених санітарних норм. Детальний опис елементів системи наведено в таблиці (рис. 3.2). 36 Рисунок 3.2 – Таблиця підключених вимірювальних приладів та виконавчих елементів Ця таблиця містить перелік пристроїв, що здійснюють вимірювання параметрів повітряного середовища та керують їх регулюванням. Елемент TE виконує функцію моніторингу температури, передаючи отримані дані на центральний модуль системи. Для корекції температурного режиму використовується виконавчий компонент TC, яким може бути обігрівач або електрична батарея, що підтримує необхідний рівень тепла. Елемент QE відповідає за вимірювання рівня вологості в офісному приміщенні, передаючи інформацію в режимі реального часу. Виконавчий модуль QC, представлений кондиціонером, регулює показники вологості. У разі необхідності коригування можуть бути задіяні додаткові механізми, такі як система опалення або обігрівачі. Елемент ZE контролює рівень пилового забруднення, передаючи дані на контролер для аналізу. Мінімізація концентрації пилових часток здійснюється шляхом регулярного прибирання, яке виконується працівниками офісу. Якщо рівень забруднення перевищує допустимі межі, система генерує відповідне сповіщення для користувача. 37 Елемент ME виконує моніторинг концентрації газів у приміщенні, включаючи тютюновий дим та рівень вуглекислого газу. Виконавчий модуль MC, представлений вентиляційною системою, забезпечує автоматичне видалення надмірної концентрації газів, покращуючи якість повітряного середовища. Такий підхід дозволяє створити ефективну автоматизовану систему контролю параметрів повітря в офісному приміщенні, підтримуючи комфортний та здоровий мікроклімат. 3.2 Огляд та вибір засобів вимірювання параметрів Датчики температури є невід’ємною частиною вимірювальних систем, їх застосування має важливе значення для автоматизованих рішень з контролю якості повітря в офісних приміщеннях. Вони здійснюють вимірювання теплового стану та передають числові показники, необхідні для аналізу й коригування температурного режиму. Датчики вологості також відіграють ключову роль у моніторингу стану повітря та параметрів навколишнього середовища. Їх використання актуальне для підтримки комфортного мікроклімату. Вологість впливає на ефективність робочого процесу, самопочуття персоналу та може сприяти поширенню мікроорганізмів і шкідливих бактерій. Одним із найпоширеніших датчиків, що може бути інтегрований у систему контролю повітря, є сенсор температури та вологості DHT21/AM2301A (рис. 3.3). Він забезпечує точні вимірювання та може бути використаний у автоматизованих рішеннях для підтримки оптимальних параметрів. Огляд датчиків вологості та температури Основні особливості та переваги: − Захисний корпус дозволяє експлуатацію пристрою у відкритому середовищі. − Автономність – датчик не потребує додаткових зовнішніх компонентів для роботи. 38 Відповідно до [10], датчик DHT21/AM2301A забезпечує високоточне вимірювання температури та вологості, використовуючи однопровідний інтерфейс для підключення. Рисунок 3.3 – Датчик вологості та температури DHT21/AM2301A При підключенні важливо дотримуватись рекомендацій щодо довжини проводів: − При напрузі 5В – не більше 30 метрів. − При напрузі 3,3В – не більше 100 см. Для забезпечення максимальної точності необхідно використовувати підтягувальний резистор 5,1К. Технічні характеристики: − Тип підключення: 3-дротове. − Тип інтерфейсу: цифровий. − Протокол зв’язку: 1-wire. − Точність вимірювання температури: 0,1°C. − Діапазон вимірювання вологості: 0–100%. − Діапазон температури: -40°C … +80°C. − Точність вимірювання вологості: ±2% RH. − Точність вимірювання температури: ±0,5°C. 39 Наступним розглянемо датчик DHT22, який також виконує функцію моніторингу температури та вологості (див. рис. 4.4). Рисунок 3.4 – Датчик вологості та температури DHT22 Цей датчик є цифровим вимірювальним пристроєм, що забезпечує високу точність і стабільність роботи. Його використання є актуальним для систем, які вимагають низького енергоспоживання та надійної передачі даних. Як і більшість аналогічних пристроїв, датчик може функціонувати при напрузі 3,3–6 В, а також підтримує підключення з довгими проводами. У випадках, коли необхідно передавати дані дистанційно, доцільно використовувати окремий модуль для бездротового зв’язку. Технічні характеристики: − Тип: AM2302, цифровий − Точність: 0,1°C − Діапазон вимірювання вологості: 0–100% − Діапазон температури: -40°C … +80°C − Точність вимірювання вологості: ±2% RH − Точність вимірювання температури: ±0,5°C 40 − Напруга живлення: 3,6–6 В − Кількість виводів: 4 − Енергоспоживання: ультранизьке − Автономність: не потребує додаткових компонентів Цей датчик відноситься до середнього цінового сегмента, але характеризується високою точністю та надійністю, що робить його оптимальним для систем моніторингу якості повітря в житлових та офісних приміщеннях. Наступним пристроєм, який буде розглянуто, є датчик температури і вологості AM2320 (рис. 3.5). Рисунок 3.5 – Датчик вологості і температури AM2320 Цей цифровий датчик забезпечує високоточне вимірювання температури та вологості, проте слід зазначити, що його технічні характеристики поступаються раніше розглянутим моделям, а цінова категорія є більш доступною. Однією з ключових переваг є низьке енергоспоживання, що дозволяє інтегрувати його в модулі моніторингу температури та вологості з автономним режимом роботи. Основні характеристики: − Тип датчика: цифровий. − Протокол зв’язку: шина I2C. − Діапазон вимірювання вологості: 1–99%. 41 − Діапазон температури: -40°C … +80°C. − Точність вимірювання вологості: ±3% RH. − Точність вимірювання температури: 0,1°C. − Похибка вимірювання температури: ±0,5°C. − Напруга живлення: 3,3–5,5 В. − Мінімальний інтервал між вимірюваннями: 2 с. − Енергоспоживання в режимі очікування: 10 мкА. − Габарити: 20×12×4 мм. Наступним розглянемо цифровий датчик SHT-31D (рис. 3.6), який відрізняється вбудованою схемою обробки та посилення сигналу, блоком пам’яті калібрування, АЦП та механізмом скидання живлення, що покращує його функціональні можливості. Рисунок 3.6. Датчик температури та вологості SHT-31D Цей датчик також може бути інтегрований у автоматизовану систему моніторингу якості повітря в офісі, забезпечуючи точні вимірювання. Його додатковою перевагою є низьке енергоспоживання, що сприяє ефективному використанню в автономних рішеннях. Основні технічні характеристики [10]: − Діапазон вимірювання температури: 0 … +90°C. − Точність вимірювання температури: ±0,2°C. − Точність вимірювання відносної вологості: ±2%. 42 − Тип інтерфейсу: I2C. − Час відгуку при вимірюванні вологості: 8 с. − Напруга живлення: 2,15 … 5,5 В. − Мінімальна потужність споживання: 5 мВт при 2,4 В. − Робочий температурний діапазон: -40 … +125°C. Огляд датчиків пилу Датчики пилу є невід’ємною частиною систем моніторингу якості повітря та застосовуються у різних галузях, включаючи промисловість, медичні установи та офісні приміщення. Важливо оцінити наявні варіанти та визначити найбільш ефективні рішення для автоматизованих систем контролю. Одним із поширених датчиків пилового забруднення є GP2Y1010AU0F (рис. 3.7), який буде розглянуто детальніше. Рисунок 3.7 – Модуль датчика пилу GP2Y1010AU0F Згідно з [10], цей датчик здатний визначати дрібні частинки у повітрі, зокрема ті, що мають розмір понад 0,8 мкм, а також сигаретний дим. Пристрій відрізняється низьким енергоспоживанням і оснащений вбудованим стабілізатором напруги, що забезпечує стабільну роботу в широкому діапазоні живлення. 43 Технічні характеристики: − Чутливість: 0,5 В / (100 мкг / м³). − Діапазон вимірювання: до 500 мкг / м³. − Напруга живлення: 2,5–5,5 В. − Максимальний робочий струм: 20 мА. − Робочий температурний діапазон: -10°C … +65°C. − Габаритні розміри: 63,2 × 41,3 × 21,1 мм. − Розмір повітряного каналу: 9,0 мм. Цей датчик може бути використаний як окремий модуль або у складі комплексних систем для очищення повітря, кондиціонування, моніторингу якості повітря та детекції PM2.5. Завдяки своїм характеристикам він відповідає всім вимогам, необхідним для інтеграції в систему автоматизованого контролю якості повітря в офісному приміщенні. Наступним розглянемо оптичний датчик пилу та диму GP2Y1010AU0F SHARP, який також використовується для моніторингу частинок у повітрі (рис. 3.8). Рисунок 3.8 – Оптичний датчик пилу і диму GP2Y1010AU0F SHARP 44 Цей датчик, як і попередній, здатний визначати концентрацію пилу та диму в повітрі, забезпечуючи точність вимірювання до 0,6 мг/м³. Він може бути інтегрований у системи автоматизованого контролю якості повітря, а також використовуватися у вентиляційних та кондиціонерних установках для покращення мікроклімату. Принцип роботи GP2Y1010AU0F SHARP заснований на оптичному аналізі – датчик визначає ступінь розсіювання інфрачервоного випромінювання світлодіода при проходженні через забруднене повітря. Вимірювання відбувається в імпульсному режимі, що дозволяє знизити енергоспоживання. Технічні характеристики: − Чутливість: 0,5 В / 0,1 мг/м³. − Діапазон робочих температур: -10°C … +65°C. − Енергоспоживання: 11–20 мА. − Напруга живлення: 4,5–5,5 В. − Потужність розсіювання: 55 мВт. − Метод вимірювання: оптичне розсіювання інфрачервоного випромінювання. − Тип датчика: аналоговий. − Габаритні розміри: 46,0 × 30,0 × 17,6 мм. − Імпульсний струм: 20 мА (під час вимірювання). − Диференціація диму та пилу за вихідною напругою. − Час вимірювання: 32 мс. − Відповідає стандарту RoHS (2002/95/EC). Цей датчик є ефективним рішенням для моніторингу рівня пилового забруднення, а також виявлення диму. Його застосування в автоматизованих системах контролю дозволяє значно покращити якість повітря в офісних приміщеннях. Огляд газоаналізаторів Газоаналізатори використовуються для аналізу хімічного складу газових сумішей, які можуть бути присутніми у повітрі. Їх використання є актуальним у 45 різних сферах, включаючи контроль мікроклімату в офісах. Розглянемо комбінований модуль CCS811 і HDC1080, який дозволяє визначати рівень CO₂ та летких органічних сполук (VOCs) (рис. 3.9). Рисунок 3.9 – Комбінований модуль датчиків якості повітря CCS811 і HDC1080 Цей модуль поєднує два функціональних компоненти: HDC1080, який виконує вимірювання температури та вологості, та CCS811, що аналізує газовий склад повітря. CCS811 – компактний цифровий датчик для контролю якості повітря, оснащений оксидом металу (MOX) для визначення загального рівня летючих органічних сполук (eTVOCs) і еквівалентної концентрації вуглекислого газу (eCO2). Завдяки вбудованій функції самокорекції, він коригує отримані значення, беручи до уваги параметри температури та вологості, та зберігає їх у внутрішньому регістрі. Датчик має низьке енергоспоживання, що робить його оптимальним для використання у автономних системах моніторингу повітря. Технічні характеристики HDC1080: − Робочий температурний діапазон: -20°C … +70°C. 46 − Діапазон вимірювання вологості: 0–100% RH. − Точність вимірювання вологості: ±2% RH (14-бітна точність). − Повторюваність вимірювання вологості: ±0,1% RH. − Час відгуку датчика вологості: 15 с. − Час вимірювання вологості: − 8 біт – 2,5 мс. − 11 біт – 3,85 мс. − 14 біт – 6,5 мс. − Точність вимірювання температури: ±0,4°C (діапазон +5°C … +60°C). − Повторюваність вимірювання температури: ±0,1°C. − Час вимірювання температури: − 11 біт – 3,85 мс. − 14 біт – 6,5 мс. − Інтерфейс зв’язку: I2C (400 кГц). − Адреса I2C: 1000000x (контрольний біт для читання/запису). − Напруга живлення: рекомендовано 3,3 В. Технічні характеристики CCS811: − Напруга живлення: рекомендовано 3,3 В. − Максимальна потужність: 60 мВт. − Інтерфейс I2C: 400 кГц. − Діапазон вимірювання eTVOC: 0 … 32,768 ppb. − Діапазон вимірювання eCO2: 400 … 32,768 ppm. − Автоматичне коригування сенсора: кожні 24 години. − Час стабілізації після увімкнення: не менше 20 хвилин. Наступний модуль – MICS-5524 TVOC Наступним розглянемо датчик якості повітря MICS-5524 TVOC, який може бути включений у систему контролю повітря в офісному приміщенні (рис. 3.10). Він призначений для аналізу концентрації газових забруднювачів, включаючи леткі органічні сполуки та токсичні гази. Датчик якості повітря MICS-5524 TVOC призначений для виявлення у повітрі парів таких речовин, як 47 етанол (10–500 ppm), чадний газ (1–1000 ppm), водень (1–1000 ppm), аміак (1– 500 ppm) і газові суміші метан/бутан/ізопропан (>1000 ppm). Однак пристрій не визначає точну концентрацію конкретної речовини, а лише повідомляє про наявність летких органічних сполук, які негативно впливають на якість повітря. Рисунок 3.10 – Модуль датчика якості повітря MICS-5524 TVOC Основні технічні характеристики: − Тип датчика: електрохімічний. − Діапазон вимірювання: − Етанол (C₂H₅OH) – 10–500 ppm. − Чадний газ (CO) – 1–1000 ppm. − Водень (H₂) – 1–1000 ppm. − Аміак (NH₃) – 1–500 ppm. − Метан/бутан/ізопропан (LPG) – >1000 ppm. − Напруга живлення: +5 В. − Споживаний струм: 25–35 мА. − Тип виходу: аналоговий. Цей датчик ефективно виявляє небезпечні гази та суміші у повітрі, проте не виконує точний аналіз концентрації кожного із забруднювачів окремо, що 48 може дещо обмежувати його застосування. Його інтеграція у систему контролю якості повітря дозволяє автоматизувати виявлення шкідливих речовин і забезпечувати своєчасне реагування, наприклад, активувати вентиляцію або надіслати сповіщення про перевищення допустимих норм. Завдяки низькому енергоспоживанню, датчик може бути використаний у автономних моніторингових системах. Наступним розглянемо датчик AGS02MA, який також може бути включений до системи контролю повітря в офісі (рис. 3.11). Він спеціалізується на вимірюванні летких органічних сполук (VOCs) та забезпечує точний аналіз концентрації газових сумішей. Рисунок 3.11 – Датчик якості повітря AGS02MA Датчик AGS02MA є високоефективним сенсором для моніторингу рівня летких органічних сполук (TVOC), оснащений спеціалізованим чіпом ASIC, що використовує передову технологію аналізу газового середовища. Пристрій відзначається надійністю, високою чутливістю та низьким енергоспоживанням, що робить його оптимальним для автоматизованих систем контролю повітря. Визначені речовини: − Етанол − Аміак 49 − Сульфіди − Пари бензолу − Дим Основні технічні характеристики: − Робоча напруга: 3,3–5,5 В (постійний струм). − Робочий струм: 28 ±5 мА. − Період вибірки: ≥2 с. − Час попереднього нагрівання: ≥120 с. − Робочий температурний діапазон: 0°C … +50°C. − Діапазон вологості: 0–95% RH. − Тривалість експлуатації: >5 років (при 25°C у чистому повітрі). − Протокол передавання даних: I2C (≤30 кГц). − Тип: напівпровідниковий сенсор. − Діапазон вимірювання: 0 … 99 999 ppb. − Типова точність: 25% (за 25°C та 50% RH). Створено базову модель офісного простору, де визначено розташування вимірювальних компонентів та виконавчих механізмів системи. Описано кожен структурний елемент, його функціональне призначення та взаємодію з іншими модулями. Надано детальний перелік сенсорів та їх технічні характеристики, які дозволяють точно та оперативно вимірювати параметри повітряного середовища, що робить їх використання у системі доцільним та ефективним. 3.3 Алгоритм налаштування системи Будь-який алгоритм програми розпочинається з етапу попередньої підготовки та налаштування. Цей процес є важливим, оскільки дозволяє перевірити коректну роботу всіх компонентів системи та оперативно сповістити користувача про необхідність втручання (рис. 3.12). Алгоритм налаштування та перевірки працездатності На початковому етапі роботи системи виконується перевірка наявності та коректного функціонування всіх вимірювальних і виконавчих компонентів. 50 Відображається статус кожного елемента, що дозволяє оперативно оцінити його працездатність. Рисунок 3.12 – Фрагмент блок-схеми алгоритму, що виконується на етапі налаштування системи та підготовки до запуску Якщо на етапі діагностики виявлено несправний модуль, система автоматично ініціює процес повторного налаштування. У випадку, якщо модуль залишається непрацездатним, користувач отримує повідомлення у додатку із зазначенням проблемного компонента, що потребує перевірки. Функція контролю справності необхідна для забезпечення захисту та безпечної роботи системи. У разі виходу з ладу окремого елемента це може призвести до порушення балансу повітряного середовища або навіть до некоректного функціонування системи, що може спричинити аварійні ситуації. Після успішного запуску та налаштування всіх компонентів перевіряється готовність до початку вимірювань. Це необхідно для того, щоб система працювала лише тоді, коли її використання є необхідним. Також передбачена 51 можливість дистанційного відключення через мобільний пристрій для зручності користувача. Алгоритм вимірювання параметрів Після завершення налаштування система переходить до циклу вимірювань параметрів якості повітря у визначеній послідовності. Кожен етап вимірювання реалізовано у вигляді окремого блоку, де фіксується поточне значення параметра, яке порівнюється із заданими нормативними межами. Якщо отримане значення відповідає стандартам, система лише реєструє його. У разі відхилень активуються виконавчі механізми для корекції параметра та стабілізації повітряного середовища. Першим етапом вимірювання є визначення температурного показника (рис. 3.13), що відіграє ключову роль у підтримці оптимальних умов повітряного середовища. Рисунок 3.13 – Фрагмент блок-схеми алгоритму, що виконується на етапі вимірювання параметра температури На цьому етапі здійснюється зчитування даних із температурних датчиків, після чого отримані значення порівнюються із заданими нормативними 52 параметрами. Якщо в одному з приміщень офісу зафіксовано відхилення за межі допустимого діапазону, система автоматично виконує коригування. Це може включати активацію системи опалення або її вимкнення для стабілізації температурного режиму. Наступним етапом є моніторинг рівня вологості у всіх приміщеннях (рис. 3.14). Рисунок 3.14 – Фрагмент блок-схеми алгоритму, що виконується на етапі вимірювання параметра вологості На цьому етапі алгоритму проводиться моніторинг рівня вологості у всіх приміщеннях, де розташовані відповідні датчики. Отримані значення реєструються та після завершення вимірювання порівнюються із заданими нормативними параметрами вологості. У разі значного відхилення від встановленого діапазону в окремому приміщенні система автоматично активує механізми регулювання для стабілізації рівня вологості до оптимального значення. Наступний етап вимірювального процесу – визначення концентрації часток пилу у повітрі. 53 Рисунок 3.15 – Фрагмент блок-схеми алгоритму, що виконується на етапі вимірювання концентрації часток пилу в повітрі На цьому етапі циклу вимірювань проводиться аналіз рівня пилового забруднення, що є важливим фактором, особливо в офісних приміщеннях. Система здійснює послідовне вимірювання концентрації пилу у кожному приміщенні, фіксує отримані дані та виконує порівняння з встановленими нормативами. Якщо значення відповідає допустимим межам, ніяких коригувальних дій не проводиться. У випадку перевищення допустимого рівня система реєструє цей показник та ініціює механізми для його зниження і нормалізації. Наступним ключовим етапом є аналіз газового складу повітря в офісному приміщенні, що включає перевірку концентрації шкідливих речовин, зокрема тютюнового диму, вуглекислого газу та інших потенційно небезпечних газів (рис. 3.16). На цьому етапі система здійснює аналіз концентрації газових речовин у приміщенні. Склад газів, що підлягають виявленню, залежить від використовуваних датчиків, хоча часто один сенсор може визначати рівень кількох найпоширеніших газових забруднень. 54 Рисунок 3.16 – Фрагмент блок-схеми алгоритму, що виконується на етапі вимірювання концентрації газів у приміщенні Якщо концентрація газу не перевищує допустимих норм, система не ініціює жодних коригувальних заходів. У разі виявлення перевищення допустимого рівня забруднення пристрій фіксує дані та активує механізми регулювання для зниження концентрації речовини до оптимального рівня. Заключний етап вимірювального циклу передбачає аналіз рівня іонізації повітря (рис. 3.17). Система здійснює контроль рівня іонізації у приміщенні, оскільки цей параметр впливає на концентрацію часток пилу, сприяючи їх зменшенню. Підтримання іонізації на оптимальному рівні є важливим для створення здорового повітряного середовища. Якщо фіксується перевищення допустимих значень, система вносить коригувальні зміни для нормалізації параметра. У разі відповідності встановленим нормам система продовжує працювати без додаткових регулювань. На цьому етапі завершується цикл вимірювання, після чого система повертається до початкового стану, щоб визначити необхідність подальших вимірювань. 55 Рисунок 3.17 – Фрагмент блок-схеми алгоритму, що виконується на етапі вимірювання рівня іонізації Передбачена можливість роботи за розкладом, який налаштовується через мобільний додаток або за певним часовим інтервалом, наприклад кожні 30 секунд. Це дозволяє оптимізувати процес моніторингу, зменшуючи навантаження на систему, зберігаючи ефективність контролю повітряного середовища. Якщо не надходить команда на запуск нового циклу, система переходить у режим очікування або неактивний стан (рис. 3.18) до моменту отримання сигналу про поновлення роботи. Рисунок 3.18 – Фрагмент блок-схеми алгоритму, що виконується при переведенні системи в неактивний стан 56 На цьому етапі алгоритм завершує свою роботу. Представлений алгоритм є базовим і охоплює ключові аспекти функціонування автоматизованої системи, включаючи перевірку стану її компонентів, процес моніторингу та аналізу параметрів, а також механізми регулювання якості повітря в офісному приміщенні. Підсумовуючи, нижче представлено загальний вигляд блок-схеми алгоритму роботи програми АСКЯПОП (рис. 3.19). Рисунок 3.19 – Загальний вигляд блок-схеми алгоритму роботи Цей розділ присвячений розробці та детальному опису блок-схеми алгоритму роботи автоматизованої системи моніторингу якості повітря в офісному приміщенні. Представлена блок-схема алгоритму містить усі ключові етапи функціонування системи, включаючи початкове налаштування, перевірку працездатності компонентів, контроль готовності до запуску, а також цикл 57 вимірювань основних параметрів повітряного середовища: температури, вологості, концентрації пилу, рівня шкідливих газів та рівня іонізації. Крім того, алгоритм передбачає механізми коригування, спрямовані на мінімізацію негативних факторів, а також на підтримку оптимальних умов для забезпечення комфортного мікроклімату. В рамках цих процесів система активує відповідні виконавчі елементи, такі як вентиляція, кондиціонування, іонізація чи фільтрація, для стабілізації параметрів повітря до нормативних показників. 58 ВИСНОВКИ У ході виконання кваліфікаційної роботи здійснено комплексне дослідження проблеми забезпечення належної якості повітря в офісному середовищі. Аналіз наукових джерел, нормативної документації та існуючих технічних рішень дозволив зробити низку важливих висновків: 1. Значущість контролю якості повітря. Якість повітря безпосередньо впливає на здоров’я, працездатність і комфорт працівників. Несприятливі мікрокліматичні умови, зокрема перевищення допустимих рівнів CO₂, надмірна вологість або сухість, висока концентрація пилу й шкідливих домішок, можуть спричиняти синдром "хворої будівлі", підвищення рівня захворюваності персоналу та зниження продуктивності праці. 2. Системний підхід до аналізу параметрів. У роботі було проаналізовано основні шкідливі чинники, що впливають на якість повітря: хімічні, фізичні, біологічні та електромагнітні. Проведено деталізований розгляд принципів їхнього утворення, гранично допустимих концентрацій та наслідків для організму людини. Визначено необхідні параметри для моніторингу – температура, вологість, концентрація CO₂ тощо. 3. Огляд сучасних методів і засобів контролю. Вивчено широкий спектр сенсорів і технічних засобів, що застосовуються для вимірювання параметрів якості повітря. Розглянуто різні типи датчиків (температури, вологості, пилу, газів), а також принципи їхньої роботи, точність та особливості впровадження в автоматизовані системи. 4. Проєктування структури автоматизованої системи. Розроблено функціональну та структурну схему автоматизованої системи контролю якості повітря в офісному приміщенні (АСКЯП). Запропонована система включає вимірювальні модулі, обчислювальний блок (мікроконтролер), виконавчі елементи (вентилятори, кондиціонери, іонізатори) та систему зворотного зв’язку. Це забезпечує повний цикл автоматичного моніторингу, обробки даних і регулювання повітряного середовища. 59 5. Оптимізація та впровадження. У роботі приділено увагу оптимізації системи з метою підвищення точності, надійності та економічної ефективності. Обґрунтовано вибір технічних засобів та алгоритмів, які дозволяють адаптувати систему до різних умов експлуатації. 6. Практична цінність і перспективи розвитку. Запропонована система може бути впроваджена в офісних приміщеннях різного масштабу. Її використання дозволить не лише покращити мікроклімат і забезпечити санітарно-гігієнічні умови праці, а й зменшити витрати на енергоносії та медичне обслуговування персоналу. У подальшому систему можливо розширити шляхом інтеграції зі смарт-будівлями та мобільними додатками для дистанційного моніторингу. 60 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. 5 найкращих рішень забезпечення якості внутрішнього повітря в 2022 році і не тільки [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://eba.com.ua/ 2. Amazon. Amazon Smart Air Quality Monitor [Електронний ресурс]. – 2024. – Режим доступу: https://www.amazon.com/dp/B08X2ZJ6V2. 3. Balla, M., Anjani, K., Varsha, D. GASDUINO: wireless air quality monitoring system using Internet of Things [Електронний ресурс] // arXiv preprint arXiv:2005.04126. – 2020. – Режим доступу: https://arxiv.org/abs/2005.04126. 4. Berkani, M. R. A., Chouchane, A., Himeur, Y., Ouamane, A., Amira, A. An intelligent edge-deployable indoor air quality monitoring and activity recognition approach [Електронний ресурс] // arXiv preprint arXiv:2311.03920. – 2023. – Режим доступу: https://arxiv.org/abs/2311.03920. 5. Brownlee, J. A gentle introduction to early stopping to avoid overtraining neural networks [Електронний ресурс] // Machine Learning Mastery. – 2024. – Режим доступу: https://machinelearningmastery.com/early-stopping-to-avoid- overtraining-neural-network-models/. 6. Jo, S., Kim, H., Lee, J. Development of an IoT-based indoor air quality monitoring platform // Journal of Sensors. – 2020. – 2020. – С. 1–12. – DOI: https://doi.org/10.1155/2020/8749764. 7. Rosa-Bilbao, J., Butt, F. S., Merkl, D., Wagner, M. IoT-based indoor air quality management system for intelligent education environments // IEEE Internet of Things Journal. – 2025. – № PP(99). – С. 1–1. – DOI: https://doi.org/10.1109/JIOT.2025.3539886. 8. Simamora, A. M., Denih, A., Suriansyah, M. I. Indoor air quality detection robot model based on the Internet of Things (IoT) [Електронний ресурс] // arXiv preprint arXiv:2505.19600. – 2025. – Режим доступу: https://arxiv.org/abs/2505.19600. 9. Wei, Y., Jang-Jaccard, J., Xu, W., Sabrina, F., Camtepe, S., Boulic, M. LSTM- Autoencoder based anomaly detection for indoor air quality time series data 61 [Електронний ресурс] // arXiv preprint arXiv:2204.06701. – 2022. – Режим доступу: https://arxiv.org/abs/2204.06701. 10. Yousaf, J., Harseno, R., Yee, J.-J. Next-generation indoor air quality management: an integrated IoT- and deep learning-based approach [Електронний ресурс] // SSRN. – 2024. – Режим доступу: https://doi.org/10.2139/ssrn.4916862. 11. Автоматизований пост екологічного моніторингу інтегровано в європейську систему [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://ecolog-ua.com/ 12. Бондаренко Д. В. Енергоефективні рішення для систем вентиляції та кондиціонування // Енергозбереження та енергоефективність. – 2020. – № 4. – С. 70–76. 13. Гриб О. М., Чугай А. В. Автоматизований моніторинг та оцінка якості атмосферного повітря // Матеріали міжнар. наук.-практ. конф. «ECOIMPACT». – 2019. – С. 58. 14. Григоренко Л. В. Дослідження впливу вентиляційних систем на якість повітря в офісах // Будівництво та архітектура. – 2020. – № 5. – С. 101–107. 15. ДБН В.2.5-67:2013. Опалення, вентиляція та кондиціонування. – Київ : Мінрегіон України, 2013. – 112 с. 16. Звітування про викиди в атмосферне повітря: як працює рішення [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://rubryka.com/ 17. Іванова Н. С. Застосування сенсорних технологій для моніторингу повітря в медичних установах // Медична інженерія. – 2021. – № 3. – С. 58–64. 18. Калевич Д. К. Автоматизована система мікроклімату в офісному приміщенні : бакалаврська кваліфікаційна робота / Чорномор. нац. ун-т ім. Петра Могили. – Миколаїв, 2022. – 52 с. 19. Ковальчук Т. І. Аналіз ефективності систем очищення повітря в житлових будинках // Екологічна безпека та природокористування. – 2021. – № 1. – С. 56–62. 20. Кравченко Ю. А. Використання штучного інтелекту в системах контролю 62 якості повітря // Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія. – 2023. – № 2. – С. 90–96. 21. Кузнєцов О. В., Стаценко С. М. Комп’ютерна система визначення якості повітря у приміщенні : кваліфікаційна робота бакалавра / Київський нац. ун-т технологій та дизайну. – Київ, 2023. – 45 с. 22. Левченко І. О. Системи автоматизованого контролю якості повітря в навчальних закладах // Вісник КНУБА. – 2021. – № 4. – С. 45–50. 23. Мельник О. П. Інтелектуальні системи управління якістю повітря в приміщеннях // Автоматизація та сучасні технології. – 2023. – № 2. – С. 77– 83. 24. Петренко М. С. Розробка системи моніторингу якості повітря в приміщеннях з використанням IoT технологій // Технічні науки та технології. – 2020. – № 2. – С. 112–118. 25. Розумна вентиляція: покращення якості повітря та енергоефективності в українських оселях [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://smartdim.com.ua/ 26. Рудавський, І., Клим, Г., Попов, А. Design and evaluation of a smart indoor air quality monitoring system // Measuring Equipment and Metrology. – 2023. – Т. 84, № 3. – С. 23–30. – DOI: https://doi.org/10.23939/istcmtm2023.03.023. 27. Сидоренко А. В. Впровадження автоматизованих систем контролю мікроклімату в офісних приміщеннях // Сучасні інформаційні технології. – 2022. – № 3. – С. 89–95. 28. Яценко Р. М. Розробка системи контролю якості повітря для шкільних приміщень // Наукові праці молодих вчених. – 2022. – № 1. – С. 34–39. 63