Feinstaubmessung mit LoRaWAN

Die Feinstaubbelastung öffentlicher und privater Räume drängt sich immer häufiger in das allgemeine Bewusstsein vieler Menschen. Die möglichen gesundheitliche und ökonomischen Schäden, die sich aus schlechter Luftqualität ergeben können, sind mehr als Genug Anreiz für viele Unternehmen und politische Institutionen, um nach Wegen zur Verringerung der Feinstaubbelastung zu suchen. Um dieses Ziel zu erreichen, bedarf es einer Vielzahl an Messdaten – die Feinstaubmessung durch LoRaWAN-fähige Geräte kann dabei helfen, diesem Ziel näherzukommen.

 

Warum ist Feinstaub ein Problem?

Luftverschmutzung hat nachweislich einen großen Einfluss auf die Gesundheit weltweit. Im Jahr 2015 wurden weltweit 6,5 Millionen vorzeitige Todesfälle mit Luftverschmutzung in Verbindung gebracht. Die Auswirkungen der Luftverschmutzung auf die Gesundheit hängen von der Schadstoffkonzentration und dem Grad der Belastung ab. Diese Faktoren variieren in städtischen Umgebungen auf einer engen räumlichen und zeitlichen Skala, was dazu führt, dass mehr Daten benötigt werden, indem die Anzahl der Sensorinstallationen erhöht und die Häufigkeit der Probenahmen verbessert wird.

Feinstaub mit einem Durchmesser von weniger als 10 μm ist von besonderer Bedeutung und wirkt sich negativ auf die Gesundheit aus, obwohl Feinstaub mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 μm (PM2,5) die stärksten gesundheitlichen Auswirkungen hat. Feinstaub kann selbst bei niedrigen Konzentrationen eine Vielzahl von negativen Auswirkungen auf den Menschen haben. In Deutschland ist die Schadstoffbelastung mit Feinstaub PM2,5 für etwa 60.000 Todesfälle pro Jahr verantwortlich. Die Auswirkungen der Luftverschmutzung auf die Gesundheit hängen nicht nur von der Schadstoffkonzentration ab, sondern auch von der Dauer und Häufigkeit der Belastung, was zu Schwankungen im Einzelfall führen kann. Das bedeutet, dass manche Menschen nicht so stark unter den Auswirkungen einer Feinstaubbelastung leiden werden wie andere, weil sie dieser Belastung nur in geringerer Dauer und Regelmäßigkeit ausgesetzt waren. Auf individueller Ebene spielen auch verschiedene andere Variablen, einschließlich Alter und Gesundheitszustand, eine wichtige Rolle.

All diese Faktoren sprechen eine deutliche Sprache: Wir benötigen umfangreiche Daten über die Feinstaubbelastungen in unseren Städten, damit es den Unternehmen und politischen Institutionen ermöglicht wird, gezielt Gegenmaßnahmen zu ergreifen, um die öffentliche Gesundheit zu schützen. Zu den größten Herausforderungen einer flächendeckenden Verbreitung von Sensoren zur Feinstaubmessung gehören die Implementierungs- und Betriebskosten eines solchen Netzwerks. Genau an diesen Punkten können LoRaWAN-fähige Sensoren ansetzen.

Sensorauswahl, aber richtig

Mittlerweile sind auf dem Markt eine ganze Reihe an kostengünstigen Feinstaubsensoren vertreten, die üblicherweise in Luftverschmutzungsmessgeräten eingesetzt werden. Ihre Preise reichen von ein paar Euro bis zu mehreren hundert Euro. Je nach vorhandenem Budget lässt sich somit die Einrichtung dichter stadtweiter Netze recht kostengünstig implementieren. Diese Sensoren müssen an einen Prozessor (z. B. Raspberry Pi) angeschlossen und mit einem Kommunikationsprotokoll (z. B. WiFi, Bluetooth, LP-Netzwerke) und/oder zur Speicherung der erfassten Daten (z. B. SD-Karte, Festplatte, Flash-Speicher) ausgestattet werden. Die gängigsten kostengünstigen Feinstaubsensoren sind optische Partikelzähler (OPCs), die auf Lichtstreuung basieren. Sie können in der Regel Partikel mit Durchmessern von 0,3 μm bis 10 μm erkennen. Unterhalb von 0,3 μm streuen die Partikel das Licht nicht ausreichend, und über 10 μm können sie, je nach tatsächlicher Größe des Einlasses, nicht in den Sensor gelangen. Diese Sensoren wandeln das gemessene Signal in eine Rohpartikelzahl und/oder Massenkonzentration um.

Referenzmethoden zur Messung der Feinstaubmassenkonzentration beruhen auf der direkten Bestimmung der Partikelmasse und nicht auf der Ableitung der Partikelmasse aus der Partikelanzahl. Die Massenkonzentration wird in den Rechtsvorschriften verwendet und ist für den Vergleich mit Referenzmessgeräten erforderlich, aber auch die Rohpartikelzählung ist nützlich. So bietet die Rohpartikelzählung häufig eine bessere Messwertauflösung, insbesondere wenn der Sensor nahe an der Nachweisgrenze arbeitet.

Der größte Nachteil bei der Verwendung preiswerter Feinstaubsensoren ist die Datenqualität, die von folgenden Faktoren abhängen kann: Verschiebung im Laufe der Zeit, Beeinflussung durch klimatische Bedingungen, Umweltbedingungen, mangelnde Reproduzierbarkeit zwischen den einzelnen Sensoreinheiten und die Zusammensetzung des Feinstaubs. Diese Schwankungen können je nach Modell des Feinstaubsensors variieren und unterschiedliche Eigenschaften und Datenqualitäten aufweisen. Um diese Störvariablen zu minimieren, kann es daher sinnvoll sein, mehrere Feinstaubsensoren unterschiedlichen Typs in einem Gerät zur Messung der Luftverschmutzung zu kombinieren, um ein möglichst akkurates Bild zu erhalten. Zwar steigen damit die Installationskosten, die Zugewinn an qualitativen Daten, spricht allerdings für diesen Ansatz.

Luftqualität und LoRaWAN – wie passt das zusammen?

Selbstverständlich existieren auch andere Möglichkeiten zur Feinstaubmessung. Diese sind jedoch oftmals wesentlich preisintensiver und anfälliger für Störvariablen, von denen Netzwerke wie LoRaWAN kaum oder überhaupt nicht betroffen sind.

Geräte zur Messung der Feinstaubbelastung, die das LoRaWAN-Netzwerk zur Kommunikation nutzen, bringen wiederum eigene Vorteile mit sich. Mit einer sorgfältigen Auswahl der Hardware und der Datenübertragung ist es möglich, ein LoRaWAN-basiertes Sensornetzwerk zu betreiben und dabei die Ausfallrate stark zu minimieren. LoRaWAN ist ein bewährtes Kommunikationsprotokoll und liefert stündliche Messwerte auch bei Ausfällen des kabelgebundenen Netzwerks und sogar an Orten ohne Netzwerkzugang.

Mittlerweile existieren immer mehr Modellversuche, die belegen, dass die Verwendung kostengünstiger Feinstaubsensoren zur Überwachung der Luftqualität in städtischen Gebieten möglich ist. Je mehr Verbreitung dieser Ansatz findet, desto mehr Daten zur Auswertung werden von kostengünstigen Feinstaubsensoren generiert, die im Detail Vor- und Nachteile aufzeigen. Es ist nicht ausgeschlossen, dass in Zukunft auch hybride Ansätze denkbar sind, in denen kostengünstige Geräte mit LoRaWAN-Verbindung mit ihren hochpreisigen Pendants kombiniert werden, um die Qualität der Daten noch weiter zu verbessern und die Ausfallwahrscheinlichkeit zu minimieren.