Air quality monitoring with bicycles using low-cost sensors

Abstract

A poluição atmosférica continua a ser uma preocupação crítica que afecta tanto a saúde pública como o ambiente. Esta tese apresenta o desenvolvimento de um sistema autónomo de monitorização da qualidade do ar, de baixo custo, montado em uma bicicleta. O sistema utiliza fontes de energia verde, como painéis solares e dínamos de bicicleta, para alimentar sensores que recolhem dados em tempo real sobre partículas (PM), óxidos de nitrogênio (NOx) e compostos orgânicos voláteis (VOCs). Os dados são transmitidos para uma aplicação móvel via Bluetooth Low Energy (BLE), permitindo aos utilizadores visualizar medições de qualidade do ar sobrepostas num mapa, fornecendo indicacões acionáveis sobre as condições ambientais durante a condução. A arquitetura do sistema integra um sensor Sensirion SEN55, um microcontrolador ESPDuino-32 e um módulo de energia solar Waveshare, todos alojados numa caixa personalizada. A aplicação Android, denominada “AirFinder”, serve como interface do utilizador, exibindo dados do sensor e permitindo registo e análise de caminho. Testes de usabilidade com um grupo diversificado de utilizadores confirmaram a facilidade de utilização do sistema e o seu potencial para aumentar a consciencialização sobre a poluição atmosférica. Este projeto demonstra a viabilidade de criar uma ferramenta de monitorização da qualidade do ar portátil e energeticamente eficiente, com potencial para uso generalizado em áreas urbanas, aplicações de pesquisa e cenários de emergência onde a infraestrutura de monitorização tradicional não está disponível.

Air pollution remains a critical concern affecting both public health and the environment. This dissertation presents the development of a low-cost, autonomous air quality monitoring system mounted on a bicycle. The system utilizes green energy sources, such as solar panels and bicycle dynamos, to power sensors that collect real-time data on particulate matter (PM), nitrogen oxides (NOx), and volatile organic compounds (VOCs). The data is transmitted to a mobile application via Bluetooth Low Energy (BLE), allowing users to visualize air quality measurements overlaid on a map, providing actionable insights into environmental conditions while riding. The system's architecture integrates a Sensirion SEN55 sensor, an ESPDuino-32 microcontroller, and a Waveshare solar power module, all housed in a custom-designed enclosure. The Android app, named "AirFinder," serves as the user interface, displaying sensor data and enabling path recording and analysis. Usability tests with a diverse group of users confirmed the system's ease of use and its potential to raise awareness about air pollution. This project demonstrates the feasibility of creating a portable, energy-efficient air quality monitoring tool, with the potential for widespread use in urban areas, research applications, and emergency scenarios where traditional monitoring infrastructure is unavailable.