Het HvA Citizen Science project
De Bewonersvereniging “Hart van Alkmaar” introduceerde het Citizen Science project. Hieraan kunnen bewoners deelnemen om zelf apparatuur te bouwen die metingen verrichten met sensoren op allerlei gebied. Zoals geluid, fijnstof, temperatuur, vochtigheid, stikstof, CO2, windsnelheid, lichtintensiteit, radioactieve straling enz. Niet alleen technici maar ook administratieve deelnemers zijn nodig om dit project van de grond te krijgen. Immers moet de gemeten data ook geïnterpreteerd en doorgegeven worden aan de betreffende instanties. Er moet gerucht van gemaakt worden.
Gezien vanuit onze kant is dit hele circus echter niet goed van de grond gekomen. Mislukt zou je zeggen. Het bleef beperkt tot wat enthousiaste technici. Dit betekent ook dat de subsidie aan ons voorbij is gegaan, immers alleen als het Citizen Science project van de grond zou komen werd er geld verstrekt. Nu betalen we alles zelf.
Marco van Schagen heeft voor de technische kant een beetje de leiding overgenomen. Met behulp van zijn ervaringen zijn we nu al in staat om hier en daar meetkastjes te plaatsen. We hebben zelfs een eerste meeteenheid ingebouwd in een lantarenpaal en we hebben meer lantaarns beschikbaar van dit paddenstoeltype.
Zelf electronica bouwen en programmeren
Mijn studieachtergrond is HTS-Elektronica. Hoewel ik mijn studie niet kon afronden is elektronica toch altijd mijn favoriete hobby gebleven. Microcontrollers hebben een enorme opmars gekregen en ik begon een cursus Assembly en C++ programmeren. Ik maakte een nestkastje met optische elektronica om het aantal in- en uitvliegingen van koolmezen te meten. Dan kom je al gauw in de 1000’en metingen.
Met veel genoegen heb ik geprogrammeerd met:
- Mbed-LPC1768 en vele soorten Nucleo’s. Arm Mbed OS is een gratis, open-source embedded operating system specifiek ontworpen voor de “things” in ‘Internet of Things’.
- MicroC for PIC voor snel PIC programmeren in C.
- LPCExpresso voor LPC81x en vele anderen.
- Assembly met Keil A51 tot 2K gratis. Hiermee kan je de chinese MCU’s programmeren bijv. STC4052AD.
- MPLAB voor ATtiny en andere AVR’s.
Zelf printjes maken is een ontwikkeling die je langzaam onder controle moet krijgen. Als het eenmaal lukt ben je vrij en kun je alles wat je wilt zelf maken. Dit kan je via een PCB-programma zoals Eagle zelf componeren en afdrukken op tranparant folie.
Je kunt zelf je eigen PCB prints maken
Koop zelf een dubbelzijdig belichtingsapparaat met vacuümpomp, want de folie moet ook nog eens tegen de printplaat gezogen worden. Een etsbak kan je zelf maken van een glazen accubak, daarbij een aquarium-verwarmingselement 100 watt met luchtpomp en slang met gaatjes. Gebruik natrium- of ammoniumpersulfaat als etsmiddel. Dit kan je lang bewaren en het kleddert niet.
Doormetaliseren hoeft niet. Gewoon een 0.3mm gaatje boren en met een wirewrapdraadje doorsolderen.
Wees niet bang om wat geld uit te geven, want anders wordt het niets. Hou wel je budget onder controle.
Koop bijvoorbeeld onderdelen bij Farnell of RS-online. En natuurlijk is AliExpress de gok waard, met een kans op kapotte of verkeerde onderdelen.
Zelf een DB meter ontwerpen
In Alkmaar als bewoners veel last hadden van geluid door het evenement “Muziek op de Brug”. Hiervoor werd ons gevraagd om een DB-meter te maken om het geluid zelf te registreren.
We besluiten om de meter te bouwen als een electronisch circuit. Hier maken we het verschil met de meeste software gebaseerde citizen science meters; waar de meetresultaten afhankelijk zijn van de rekenkracht van de cpu, en de gebruikte software in het apparaat. Bij onze oplossing zal waar dan ook ter wereld hetzelfde worden gemeten.
Hoe werkt een decibel dB?
Het menselijk gehoor is erg goed in het registreren van geluid van uiteenlopende geluidssterktes. Het zachtste geluid dat we kunnen horen heeft maar heel weinig energie, en tegelijk kunnen wij als ‘meetapparaat’ ook bij heel luide geluiden nog goed registreren welk geluid we horen. Geluid wat twee keer zoveel energie heeft ervaren we als ‘iets luider’.
De sterkte van geluid geven we weer in decibel of dB. De decibel is zo afgesproken dat 0 dB het zachtste geluid is wat sommige mensen horen. De decibel is afgesproken als een logaritmische schaal. Als je twee keer zoveel geluid hebt, bijvoorbeeld twee stofzuigers, dan is de meting ongeveer 3 dB hoger. Dat past goed bij onze waarneming als ‘iets luider’. Je leest een uitleg over geluidssterkte op: https://nl.wikipedia.org/wiki/Geluidssterkte En meer informatie over de gehoordrempel: https://nl.wikipedia.org/wiki/Gehoordrempel
Een gewoon gesprek is ongeveer 60 dB.
Luisteren naar hard geluid kan je gevoeligheid voor geluid blijvend beschadigen. Men gaat er van uit dat langdurig (meer dan 8 uur per dag) luisteren naar geluid boven 80-85 dB schadelijk voor je is. En men zegt dat blijvende gehoorschade al ontstaat bij 15 minuten per dag met 100 dB, en ook al bij 110 dB bij anderhalve minuut per dag. In onze omgeving zijn veel geluiden die makkelijk luider zijn dan 120 dB.
Geluidservaring of geluidshinder in dB(A)
Of geluid wordt ervaren als hinderlijk verschilt per toonhoogte. Welke geluidssterktes hinderlijk zijn verschilt ook per persoon, en varieert bovendien met de omgeving waar je bent.
De technische meetwaarde van het geluid geven we weer in decibel, dB. Om beter aan te sluiten bij onze ervaring hoe we geluid ervaren is een correctie in voor de frequentie of toonhoogtes toegepast, dB(A). De getallen in de wetgeving worden weergegeven in dB(A), en inmiddels wordt ook gebruik gemaakt van een nog betere weging dB(C). Je leest hierover meer op: https://nl.wikipedia.org/wiki/DB(A)
Geluid waar we zelf voor hebben gekozen vinden we minder hinderlijk dan geluid wat niet relevant voor ons is. In de regels voor geluid op kantoor zie je dat dit verschil wordt uitgelegd, de ene grens is 35 dB(A) en de andere grens is 80 dB(A): https://www.arbo-online.nl/rie/artikel/2011/06/het-risico-geluid-in-kantoren-10110057
In ons project meten we de dB(A) en de dB(C)
Van microfoonmeting naar dB – een logaritmische uitdaging
Een microfoon vertaalt een geluidsdruk naar een spanning. Omdat de geluidsintensiteit (geluidsvermogen) kwadratisch toeneemt met de geluidsdruk is de formule voor dB:
2 * 10 * log( P / p0 ) = 20 * log( P / p0 )
Het getal 10 staat voor decibel (een tiende van een Bell). Hierin is p0 afgesproken als gehoordrempel, de laagste geluidsdruk die het gehoor kan waarnemen = 20 uP = 0 dB. Zo is een dB geluidsmeting dus eigenlijk een verhoudingsgetal ten opzichte van de gehoordrempel.
Met decibel rekenen we eigenlijk de meetwaarden van de geluidssterkte via een logaritmische schaal om naar een meer compacte lineaire schaal. Zonder logaritme zou je een vierkante kilometer papier nodig hebben om de waarden duidelijk weer te geven.
Deze logaritmische berekening geeft een bijzonder effect op de dB getallen. Een verdubbeling van de sterkte van een geluidsbron, bijvoorbeeld twee stofzuigers, geeft een toename van de geluidssterkte met 3 dB. Als een stofzuiger 60 dB geeft, dan meet je bij twee stofzuigers 63 dB. Deze optelling wordt uitgelegd op: https://nl.wikipedia.org/wiki/Optellen_van_geluidniveaus
Vanuit een meetapparaat meten we SPL (Sound Pressure Level), om duidelijk te zijn over geluidsmetingen op basis van geluidsdruk. Een verdubbeling van de geluidsdruk geeft een toename van de meting met een factor van 6 dB (bij verdubbeling SPL).
Ohja, geluid vanuit een geluidsbron verplaatst zich door de ruimte als het oppervlak van een bol. Een verdubbeling van de geluidssterkte (zendsterkte) aan de bron geeft niet een verdubbeling van de meetwaarde (ontvangststerkte) aan de microfoon. Om een dubbele SPL waarde te krijgen heb je 6 dB extra nodig, ofwel een dubbele verdubbeling van het aantal geluidsbronnen. Elke verdubbeling van de geluidsbronnen geeft 3 dB extra.
Je krijgt zo een gevoel dat de logaritmische schaal helpt om geluid met een hele kleine energie te vergelijken met geluid van een hele hoge energie.
De microfoon en de meetapparatuur moet echter wel met de echte geluidsdruk werken, dus de meetwaardes voordat deze handige logaritmische schaal wordt toegepast. Je hebt gezien dat die meetwaardes zonder de logaritmische schaal variëren van superklein naar heel groot.
Met ons apparaat willen we betrouwbaar de SPL sterkte bij 30 dB en ook bij 130 dB kunnen meten. Het verschil van 100 dB betekent voor de SPL een range van 100/6 = 16,66 verdubbelingen, dat is een verhouding van 2 ^16,66 = ongeveer 100.000.
De grootste meetwaarde is 100.000 maal groter dan de kleinste die we willen meten. Dat is een uitdaging alsof je vraagt om met een lineaal van 1 meter op het allereerste stukje ook nog precies 1/100 mm ofwel 0,01 mm te kunnen opmeten. Deze verhouding is belangrijk voor de nauwkeurigheid van ons apparaat.
De microfoon moet daarvoor een stabiele en betrouwbare meetwaarde afgeven. De meetwaarde kan vaak door temperatuur of andere factoren beïnvloed worden. De Electret microfoons met ingebouwde fet bleken daarom niet te voldoen. Zodra de temperatuur verandert ontstaan er grote afwijkingen, al merk je daar bij ‘normale’ geluidopnames niets van.
Het bouwen van zo’n DB-meter is hiermee geen eenvoudige opgave. Elke 6 dB betekent een verdubbeling van de sterkte van de SPL druk, dus ook van de microfoon meting. We willen waardes kunnen meten van 30 tot 130 dB, en het liefst nog iets meer.
We kiezen om die reden voor Electrets zonder fet. We gebruiken kwalitatief goede opamps om het geluid te versterken zoals OPA’s. Hoe groter de signaal/ ruisverhouding hoe nauwkeuriger de meting. De voeding van het analoge deel is geïsoleerd en kan niet beïnvloed worden door digitale transporten. Waarden van 30-40 db kunnen hiermee gemeten worden. We wegen het geluidsignaal ook nog via een genormeerd filter (db-A, db-B, db-C). We maken een vast analoog filter, zonder software, want aan de bandkaraterisiek van het signaal mag niet gesleuteld kunnen worden. Zo zal men met onze oplossing overal ter wereld dezelfde waarde meten. De waardes die uit dit deel van het circuit komen, zijn nog analoog.
Met de ADC (analoog digitaal converter) in het circuit zetten we de analoge waarde om naar een digitale meting. De ADC is nu 16bit en voldoet prima. Later zal het 18bit worden. De digitale waarde wordt verzonden om opgeslagen te worden voor onze tabellen en grafieken.
Digitale verwerking, tabellen en grafieken
Marco van Schagen had al ervaring met sensoren die data over het Internet kunnen transporten. We hebben van hem een introductie cursus gekregen in Lora32U4 programmeren. Zelf keys aanmaken en een conversieapplicatie schrijven. De data in de meeteenheden worden via een Lora zender middels een radio signaal naar een TTN gateway gestuurd. De reikwijdte van dit signaal is zo’n 10 km. Daarna wordt de data geregistreerd op “The Things Network”. Je kunt hier een account aanmaken en de data online uitlezen.
Waar ik zeer blij mee ben is de toevoeging van een online grafiekprogramma wat Marco heeft verzorgd. We kunnen nu alle meetwaarden direct uitlezen in een grafiek. De grafiek gaat terug naar het eerste moment dat we de data hebben verzonden, en blijft tot nu toe altijd bewaard. Je kunt de grafiek zelf ook opslaan als PNG, voor als je een bewijs wilt vastleggen. Je kunt de grafiek inzien via http://junioriotchallenge.nl/game/
