Planung, Konstruktion und Erprobung eines mobilen Sensornetzes zur Erfassung von standortbezogenen Daten zur Luftqualität
Von Feinstaub bis GPS: ein praxistaugliches Messsystem für den urbanen Raum
– konstruiert, getestet und ausgewertet unter realen Bedingungen.
Inhalt
Von der Motivation über Hardware & Software bis zur Plausibilitätsprüfung
Stationäre Messstationen liefern nur punktuelle Daten – wir wollten Luftqualität im Stadtgebiet mobiler erfassen.
Ein Messsystem bauen, das PM-Werte, Temperatur/Feuchte sowie VOC-/NOx-Indizes misst und per GPS eindeutig zuordnet.
SEN55 als Sensor, GPS (NEO-6M), LoRa + LTE als Hybrid-Übertragung – mit Fokus auf Reichweite und Energieeffizienz.
ESP32 (T-Beam), eigene Platine, 3D-gedrucktes Gehäuse, Programmlogik (Master/Slave) und API-Anbindung.
Vier Tests im realen Umfeld: Reichweite, Systemtest, Straßenbahn-Langzeitmessung und Vergleich von Transportmitteln.
Kapitel in Kürze
Die wichtigsten Bausteine für die Umsetzung
PM1/2.5/4/10, Temperatur, rel. Feuchte sowie VOC-/NOx-Index – als mobile All-in-One Messbasis.
Positionsdaten per GPS, in der Praxis ausreichend genau (typisch wenige Meter – im Versuch sinnvoll nutzbar).
LoRa für die Sensor-Kommunikation (kostengünstig/energiearm), LTE am Gateway für die zuverlässige Internet-Weiterleitung.
Master sendet Beacon → Slave antwortet mit Messwert + GPS → Master formatiert und postet an eine REST-API.
Reichweitentest im urbanen Raum: sehr zuverlässig bis 1–2 km, ab ~3 km stark abhängig von Sichtlinie; Maximalpunkt bei ca. 5,55 km.
Validierung des Gesamtaufbaus: Sensorwerte erfassen, paketieren, per LoRa senden und über Gateway an die Datenbank übertragen.
24h-ähnlicher Dauereinsatz auf einer Tram: stabiler Serverkontakt, tausende Messpunkte, plus Dokumentation zur Anomalie-Erklärung.
Tram vs. Fahrrad (plus Referenz-Thermometer): zeigt deutlich, wie Gehäuse, Abwärme und Bewegung Temperatur/Feuchte beeinflussen können.
Ergebnisse
Was zuverlässig funktioniert hat – und wo Grenzen sichtbar wurden.
Ein mobiles Sensornetz ist im urbanen Alltag technisch umsetzbar: Messwerte lassen sich mit GPS verknüpfen und drahtlos übertragen. Besonders die Feinstaubmessung (PM) zeigte stabile, plausible Verläufe – selbst im bewegten Betrieb und über längere Zeiträume.
In der Innenstadt sehr zuverlässig, mit zunehmender Entfernung und ohne direkte Sichtlinie deutlich schwankender. Die Praxis lag damit realistisch im erwartbaren Korridor – mit einem Spitzenwert bei ca. 5,55 km.
PM-Werte waren im Vergleich zu stationären Referenzen im Tagesmittel gut einordenbar. Einzelne Peaks passen zu besonderen Ereignissen (z. B. punktuell erhöhter Partikelausstoß).
Hier zeigte sich ein deutlicher Offset: Gehäusematerial, Abwärme (Powerbank/Router/Elektronik) und Sonneneinstrahlung verfälschen die Werte. Für verlässliche Aussagen braucht es Abschirmung, Kalibrierung und eine bessere thermische Entkopplung.
NOx reagierte nachvollziehbar (u. a. in Stoßzeiten). Der VOC-Index wirkte teils bewegungsabhängig (Stop/Go-Effekt) und ist mobil nur eingeschränkt aussagekräftig.
Interaktive Statistik
Die Daten aus dem dritten Messwerduch sind interaktiv zur Ansicht bereitgestellt
Fazit
Mobile Luftqualitätsmessung ist machbar – aber nicht jede Messgröße ist unterwegs gleich gut interpretierbar. PM-Daten sind stark, Temperatur/Feuchte/VOC brauchen bessere Rahmenbedingungen.
Mit zwei selbst entwickelten Messgeräten (Sensor + GPS + LoRa/LTE) konnten ortsbezogene Messdaten zuverlässig erfasst und übertragen werden. Der größte Mehrwert liegt in der flächigeren Sicht auf PM-Feinstaub – statt nur einzelner stationärer Punkte.
Mit mehreren Fahrzeugen (Tram/Bus/Fahrrad) lässt sich ein dichtes Datennetz aufbauen. In Verbindung mit einer Webseite oder App könnten Messpunkte visualisiert, interpoliert und für mehr Bewusstsein im Alltag genutzt werden.
Anlagen
Hier sind digitale Anhänge für die Facharbeit hinterlegt. (z. B. Diagramme/Anlagen).
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