Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones

By Martin Jaschkowitz
Betreuer: Dr. Aurélien Tabard

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1. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Design and Requirements of a 
 Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Disputationsseminar im Wintersemester 2012 Martin Jaschkowitz Betreuer: Dr. Aurélien Tabard 22.11.2012
2. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Motivation • Messung der Luftqualität http://www.muenchen.de/rathaus/Stadtverwaltung/Referat-fuer-Gesundheit- und-Umwelt/Luft_und_Strahlung/Luftqualitaet.html 2
3. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Agenda 2 Stand der Forschung 3 Anforderungen 6 Erkenntnisse 4 Technische Ergebnisse 5 Entwicklung des Prototyps 1 SenseDroid Projekt 3
4. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Agenda 2 Stand der Forschung 3 Anforderungen 6 Erkenntnisse 4 Technische Ergebnisse 5 Entwicklung des Prototyps 1 SenseDroid Projekt 4
5. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Einordnung in das SenseDroid Projekt
 • Zusammenarbeit der IT University of Copenhagen und der Ludwig-Maximilians-Universität • Ziel: Entwicklung einer crowd sourced Sensorplattform • Umfasst somit mehrere Bereiche: §  Hardware Komponenten §  Smartphone Applikationen §  Webplattform • „Do It Yourself“-Ansatz für die benötige Hardware 5
6. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Agenda 2 Stand der Forschung 3 Anforderungen 6 Erkenntnisse 4 Technische Ergebnisse 5 Entwicklung des Prototyps 1 SenseDroid Projekt 6
7. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Stand der Forschung Gebiet der persönlichen mobilen Sensorsysteme: §  Common Sense Projekt http://www.communitysensing.org/technology.php Outram et al: The Copenhagen Wheel 7 §  Copenhagen Wheel
8. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Agenda 2 Stand der Forschung 3 Anforderungen 6 Erkenntnisse 4 Technische Ergebnisse 5 Entwicklung des Prototyps 1 SenseDroid Projekt 8
9. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Anforderungen • Leicht nachbaubar („Do IT Yourself“) - Kostengünstig (Ziel 100 $) - Verwendung von verbreiteten Endkundenkomponenten • Lange Nutzungszeit • Kleine Bauform • Geringe Einschränkung für die Nutzung des Smartphones -  Funkverbindung über Bluetooth -  Hintergrunddienst zur Datenerfassung 9
10. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Agenda 2 Stand der Forschung 3 Anforderungen 6 Erkenntnisse 4 Technische Ergebnisse 5 Entwicklung des Prototyps 1 SenseDroid Projekt 10
11. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Bestandteile der Sensorplattform
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12. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Mikrocontroller Board
 • Arduino Familie http://arduino.cc/en/ Arduino UNO Arduino Mini Pro 12 https://www.sparkfun.com/products/10748? •  IOIO for Android
13. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Mikrocontroller Board Arduino Familie IOIO Anzahl Analoge Eingänge 6 (UNO), 8 (Mini Pro) 16 Genauigkeit Analoge Eingänge 10 Bit 10 Bit Versorgungsspannung 5 V 5 V Bluetooth Kompatibilität Bluetooth Module Bluetooth USB Adapter Baugröße (mm) 75 x 53 (UNO), 33 x 18 (Mini Pro) 87 x 31 Kosten (US Dollar) 29,95 $ (UNO), 18,95 $ (Mini Pro) 49,95 $ Android Unterstützung Keine direkte Unterstützung Angepasste Firmware & Android Bibliothek 13
14. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Energieversorgung • Batterien und Akkus • Lithum-Polymer-Akkus (LiPos) http://www.varta-consumer.de/ https://www.sparkfun.com/products/339 14 http://www.seeedstudio.com/depot/lipo-rider- p-710.html?cPath=155
15. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Sensoren • Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren -  Große Auswahl -  Unterschiedliche Messbereiche, Genauigkeit -  In der Regel kostengünstig • Gassensoren -  Geringe Auswahl im günstigen Segment -  Nutzen aktives Heizelement mit hohen Energieverbrauch -  benötigen eine Kalibrierung zur Berechnung der Messwerte http://www.cooking-hacks.com/index.php/shop/sensors/mq131-o3.html https://www.sparkfun.com/products/9418 15
16. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Agenda 2 Stand der Forschung 3 Anforderungen 6 Erkenntnisse 4 Technische Ergebnisse 5 Entwicklung des Prototyps 1 SenseDroid Projekt 16
17. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Technischer Prototyp 17 IOIO & USB Bluetooth Adapter LiPo (2A) & LiPo Rider Sensoren
18. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Android Applikation • Analyse der Softwarebibliothek des IOIO -  Nur Android Anwendung muss erstellt werden -  Hilfsklassen für Android vorhanden (v.a. Implementierung der setup() und loop() Methode nötig) -  Kommunikation der Werte Analoger Sensoren mit 1000 Hz - keine Möglichkeit Energiesparmaßnahmen zu steuern •  Entwicklung eines Android Services -  Kommunikation über Intents -  Konfigurierbar in Bezug auf Art der Sensoren und des Messintervalls -  Anzeige (Notifications) und Kommunikation des Status 18
19. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Android Applikation • Entwicklung einer Android Activity zum Testen • Speicherung, Interpretation und Visualisierung der Messwerte erfolgt in einer weiteren Abschlussarbeit im Rahmen des SenseDroid Projekts 19
20. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Agenda 2 Stand der Forschung 3 Anforderungen 6 Erkenntnisse 4 Technische Ergebnisse 5 Entwicklung des Prototyps 1 SenseDroid Projekt 20
21. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Erkenntnisse
 • „Kostengünstige“ Sensorplattform aus verbreiteten Endkundenkomponenten ist möglich •  Probleme: 1. Hoher Energieverbrauch des Prototyps: -  IOIO (90mA bei aktiver Bluetooth Verbindung) -  Heizelement der Sensoren (120 mA – 140 mA) -  Zwei Sensoren können über 400 mA verbrauchen -  Nutzungszeit ~7 Stunden bei einem Sensor 2. keine genauen Messwerte wegen fehlender Kalibrierung 21
22. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Ausblick
 • Umstellung des Sensorplattform auf ein Mikrokontroller Board der Arduino Familie technisch leicht möglich - Hierdurch Reduktion des Grundverbrauchs bei passender Komponentenauswahl - weitere Reduktion durch Energiesparmaßnahmen evtl. möglich • Aber: eigene Implementierung der Software (Arduino Sketch, Android Applikation mit angepassten Protokoll) nötig • Effizientere Sensoren im Endkundenmarkt nicht verbreitet • Problem der Kalibrierung lässt sich evtl. teilweise umgehen durch Vergleiche mit anderen Datenquellen 22
23. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Anderere Ansätze • Fahrzeugbasierte Lösungen • Z.B. Trambahnen OpenSense Zurich 23
24. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Anderere Ansätze 24 - WaspMote (Libelium) §  professionelles System §  Sensoren von e2v und Figaro §  modular -  Air Quality Egg §  Arduino §  stationäre Energieversorgung §  RF funk §  Sensoren von e2v http://blog.wickeddevice.com/
25. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Nutzungsszenario des SenseDroid •  Persona Paul: §  28 Jahre alt §  Technikaffin §  Interesse an der Gesundheit bzw. Umwelt §  fährt im Sommer mit dem Fahrrad zur Arbeit §  Geht regelmäßig Joggen •  Paul nutzt bei seinen Aktivitäten einen SenseDroid •  Paul analysiert die Messdaten mit Hilfe der Smartphone App und der Webplattform •  Paul passt seine Wege an um lokale Quellen von Luftverschmutzung zu umgehen und eine Reduktion der täglichen Belastung zu erreichen 25
26. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Vorgänger NoxDroid (SenseDroid Projekt) 26 http://www.noxdroid.org/
27. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones • Probleme von LiPos: -  Überladung -  Tiefentladung -  Temperatur • Benötigen Ladeelektronik • Benötigen Spannungserhöhung • Daher Zusatzmodule, wie der LiPo Rider, nötig Energieversorgung 27
28. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Technischer Prototyp Name Preis* IOIO for Android 49,95 $ (40 €) Lithium Ion polymer Battery -2A 12.00 $ Lipo Rider 9.50 $ (9,50 €) MQ-131 Gassensor (Ozon) 12,90 $ (17 €) MQ-135 Gassensor (Luftqualität u.a. NOx, SOx) 6,90 $ (11 €) Gas Sensor Breakout Board 3x 0,95 $ (0,70 €) Digital Temperature Sensor Board – TMP 102 5,95 $ (5 €) •  Komponenten: * Dollar Preis bei internationalen Vertrieben, Euro Preis bei http://www.cooking-hacks.com 28 Das verwendete Bluetooth Modul und Kleinteile, wie Kabel, sind mangels Preisinformationen nicht in der Tabelle enthalten.
29. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Gassensoren • Hersteller Henan Hanwei Electronics • MQ Serie • Große Anzahl verschiedener Modelle 29
30. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Kalibrierung 30 Rakesh et al, Gas Sensor profiling
31. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Mikrocontroller Board
 • Arduino Familie http://arduino.cc/en/ Arduino UNO Arduino Mini Pro 31
32. Martin Jaschkowitz Design and Requirements of a Low Cost Air Monitoring Hardware Platform for Android Phones Mikrocontroller Board
 • IOIO for Android https://www.sparkfun.com/products/10748? 32