Heatsens : Weiterentwicklung einer Temperaturmessstation für urbane Räume
Creators: name: Kiefer, Severin
name: Oberhänsli, Fabio
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2024
Subjects: 620: Ingenieurwesen

description: Der Urban Heat Island Effekt beschreibt das Phänomen, bei dem städtische Gebiete im Durchschnitt höhere Lufttemperaturen aufweisen als umliegende ländliche Gebiete. Die erhöhte Hitze in urbanen Räumen hat negative Auswirkungen auf das Wohlbefinden der Stadtbewohner und die Umwelt, weshalb effektive Gegenmassnahmen erforderlich sind. Damit diese Massnahmen möglichst präzise gewählt werden können, benötigt man Informationen über die Verteilung der Lufttemperaturen in einer Stadt. Eine Möglichkeit zur Erfassung der Temperaturdaten besteht darin, mit einer Vielzahl von Messstationen ein engmaschiges Messnetzwerk zu erstellen. Allerdings sind auf dem Markt erhältliche Messstationen sehr teuer, was die finanzielle Umsetzbarkeit solcher Messnetzwerke gefährdet.
Diese Bachelorarbeit dokumentiert die Weiterentwicklung eines Prototyps einer im Jahr 2021 entwickelten Messstation. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Reduktion der Herstellungskosten, der Anpassung der elektronischen Bauteile, der Implementierung der Datenredundanz und der Vereinfachung der Handhabung des Gehäuses im Zusammenbau der Messstation. Durch die Nutzung der bereits vorhandenen internen Antenne und die Anpassung des Printed Circuit Boards (PCB) sollen Herstellungskosten eingespart werden, ohne die Batterielaufzeit zu beeinträchtigen. Die Implementierung der Datenredundanz erfolgte durch die lokale Abspeicherung der Messdaten auf der Messstation mittels SD-Karte. Um die Änderungen der Antenne und SD-Karte umzusetzen, wurde das PCB-Layout neu entwickelt. Anschliessend wurde in zwei Versuchen die Sendequalität und Leistung der internen Antenne gemessen. Zudem wurde der Energieverbrauch der Messstation gemessen und damit die maximale Laufzeit berechnet. Die Schraubverbindungen der Gehäusekonstruktion wurden so verändert, dass ein modularer Zusammenbau möglich ist. Die Herstellungskosten für die aktualisierte Messstation wurde für die Stückzahlen 100, 500 und 1000 berechnet.
Das entwickelte PCB ermöglicht das Senden der Messdaten mit der internen Antenne und das Speichern auf der SD-Karte. Die Gehäusekonstruktion lässt sich mit gleichem Zeitaufwand, einfacher zusammenbauen. Ausserdem ist der Zugriff zum PCB mit dem neuen Gehäusedeckel um 112 Sekunden weniger Zeitaufwändig. Die Sendeleistung der internen Antenne wird durch das in der Nähe montierte Solarpanel reduziert, was zu einer Verzerrung des Radiation Pattern führt. Der Feldversuch hat ergeben, dass die Differenz der Sendequalität der internen Antenne verglichen mit der Externen bis zu einem RSSI-Wert von 4.5 dBm und SNR-Wert von 5.53 dB schlechter ist. Die Herstellungskosten der Messstation variiert je nach Stückzahl zwischen 117.76 und 182.37 Franken.
Die Resultate dieser Arbeit zeigen, dass durch die Weiterentwicklung des Prototyps signifikante Einsparungen bei den Herstellungskosten der Messstation erzielt werden konnten, während die Funktionalität der Messstation erweitert wurde. Mit dem neuen PCB-Design wurde die Verwendung der internen Antenne ermöglicht. Dies reduzierte einerseits die Herstellungskosten und andererseits die Sendeleistung. Die Implementierung der Datenredundanz stellt sicher, dass Messdaten bei Datenverlust zuverlässig wiederhergestellt werden können. Zukünftige Arbeiten könnten sich darauf konzentrieren, die Herstellungskosten zu senken und die Antennenperformance zu erhöhen. Diese Resultate dieser Arbeit tragen zur zur Forschung des Stadklimas bei.
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The urban heat island effect describes the phenomenon in which urban areas have higher average air temperatures than surrounding rural areas. The increased heat in urban areas has a negative impact on the wellbeing of residents and the environment, which is why effective countermeasures are required. Information on the distribution of air temperatures in a city is required, in order to ensure that these countermeasures can be selected as precisely as possible.  One way of recording temperature data is to create a dense network with a multitude of measuring stations. However, measuring stations available on the market are very expensive, which compromises the financial feasibility of such measuring networks.
This bachelor thesis documents the further development of a prototype of a measuring station developed in 2021. This work focuses on reducing manufacturing costs, adaptation of the electronic components, implementation of data redundancy and simplification of the assembly process of the housingof the measuring station. By using the existing internal antenna and adapting the printed circuit board (PCB), manufacturing costs are to be reduced without impairing battery life. Data redundancy was implemented by storing the measurement data locally on the measuring station using an SD card. In order to implement the changes to the antenna and SD card, the PCB layout was redesigned. The transmission quality and performance of the internal antenna were then measured in two tests. In addition, the energy consumption of the measuring station was measured and the maximum runtime calculated. The screw connections of the housing were modified so that a modular assembly is possible. The manufacturing costs for the updated measuring station was calculated for quantities of 100, 500 and 1000.
The redesigned PCB enables the transmission of measurement data with the internal antenna and the saving on the SD card. The housing design is easier to assemble in the same amount of time. In addition, access to the PCB with the new housing cover requires 112 seconds less. The transmission power of the internal antenna is reduced by the nearby solar panel, which leads to a distortion of the radiation pattern. The field test has shown that the difference in transmission quality of the internal antenna compared to the external antenna is worse up to an RSSI value of 4.5 dBm and SNR value of 5.53 dB. The manufacturing costs of the measuring station vary between 117.76 and 182.37 francs, depending on the number of units.
The results of this work show that significant savings in the manufacturing costs of the measuring station could be achieved through the further development of the prototype, while the functionality of the measuring station was extended. The new PCB design made it possible to use the internal antenna. This lead to a reduction in manufacturing costs and a reduction in transmission power. The implementation of data redundancy ensures that measurement data can be reliably restored in the event of data loss. Future work could focus on reducing manufacturing costs and increasing antenna performance. The results of this work contribute to urban climate research.