Bir radon izleme sisteminin tasarımı ve test edilmesi
Designing and testing a radon monitoring system
Yazar: ABBAS ALPASLAN KOÇER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ERTAN KÜRKÇÜOĞLU
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Isparta = Isparta ; Python = Python ; Radon = Radon ; Web tabanlı eğitim = Web based education ; Ölçüm teknikleri = Measurement techniques

Özet:
Radon maruziyeti, halk sağlığını yakından ilgilendiren gerçek bir çevre sorunudur. Radon radyoaktiftir ve A-sınıfı bir kanserojendir. Yaşadığımız her yerde, az veya çok miktarda mutlaka radon mevcuttur. Radon, havadan daha ağırdır ve zamanla kapalı mekânlarda birikebilir. Radon ve bozunma ürünlerinin solunması akciğer kanseri oluşumu ile ilişkilendirildiğinden bina içi radon seviyelerinin belirlenmesi ve bilhassa orta veya yüksek düzeyde doğal radyasyona sahip bölgelerdeki bina içi radon yoğunluklarının takip edilmesi oldukça önemlidir. Radonun varlığı ve miktarı, sadece özel olarak geliştirilmiş cihazlar vasıtasıyla tespit edilebilmektedir. 
Bu çalışmada, bina içi atmosferik radon konsantrasyonlarının ölçümü ve monitörlemesi için geliştirilen ve IRL-RMS (Isparta Radon Laboratuvarı-Radon Monitörleme Sistemi) adını verdiğimiz web-kontrollü online bir radon takip ağı tasarımı tanıtılmaktadır. Önerilen sistem mimarisi, yerleştirildiği ölçüm noktalarındaki radon düzeylerini eş-zamanlı ve sürekli (her saatte bir kez) ölçerek bu ölçüm sonuçlarına ait verileri online olarak bir merkeze (kontrol merkezine) gönderen IoT-tabanlı (nesnelerin interneti kapsamında çalışan) tekli radon takip sistemlerini web üzerinden bir arada kontrol edebilen bir takip ağı olarak tasarlanmıştır. Bu tasarım sayesinde, farklı mekânlardan (birbirinden bağımsız tekli radon takip sistemlerinden) gelen veriler, gerçek-zamanlı olarak kontrol merkezinde işlenip, depolanabilmekte ve ölçülen radon düzeyleri, internet erişimine sahip uzaktaki bir bilgisayardan anlık olarak veya belirli bir zaman aralığı için görsel olarak da takip edilebilmektedir. Önerilen tasarım iki adımlı bir çalışma ile hayata geçirilmiştir. İlk adımda, online radon ölçümü için kullanılacak IoT-tabanlı tekli radon takip sistemi geliştirilerek bu sistemin uzun-dönem radon ölçümleri için veri aktarma performansı bakımından uygunluğu, ön-ölçümlerle ortaya konulmuştur. Sonraki adımda ise, tekli sistemleri bir arada kontrol edebilen web-tabanlı bir kontrol programı hazırlanmış ve fiziki olarak kurulan bir radon takip ağı ile bir yıl boyunca test ölçümleri yapılarak önerilen tasarımın pratikteki kullanımı gerçekleştirilmiştir. 
Çalışmada öncelikle, ev ve işyerleri için bina içi atmosferik radon seviyelerinin sürekli olarak ölçülüp monitörlenebileceği, uygun maliyetli bir IoT-tabanlı tekli takip sistemi tasarımına odaklanılmıştır. Bu amaçla, piyasadan temin edilebilen hesaplı bir elektronik radon dedektörü ile bir SBC (tek kartlı bilgisayar) birbirlerine kablosuz olarak bağlanmıştır. SBC içerisinde çalışan ve Python dilinde yazdığımız kod yardımıyla, sistem tarafından alınan radon ölçüm verilerinin tanımlı internet alanına (buluta) aktarılması ve depolanması sağlanmıştır. Buluttaki bu verilere, internete bağlı cihazlarla iletişim kurmayı sağlayan açık kaynaklı bir IoT uygulama programı ile ulaşmak mümkün olduğu için önerilen tasarım, internete bağlı bir PC kullanarak ölçüm verilerinin uzaktan işlenmesini ve görselleştirilmesini mümkün kılmıştır. Bir radon takip sisteminin uzun-dönem ölçümlerine uygun olması gerekmektedir. Bu nedenle tekli radon takip sistemimizin veri iletim verimliliği, Isparta il merkezinde bulunan bir konutta, 1 Haziran 2020 ile 31 Ocak 2021 tarihleri arasında gerçekleştirilen ön-ölçümlerle araştırılmıştır. 8 ay boyunca toplamda 5848 adet saatlik veri kaydedilerek sistemin %99,5 düzeyinde yüksek bir veri iletim performansına sahip olduğu ve uzun-dönem radon ölçümleri için rahatlıkla kullanılabileceği gösterilmiştir. IoT-tabanlı tekli radon takip sistemi için yapılan ön-ölçümlerde, atmosferik radon konsantrasyonlarının 2-178 Bq/m3 arasında değiştiği ve evdeki ortalama radon yoğunluğunun 59 Bq/m3 olduğu tespit edilmiştir. Bu düzey, TENMAK'ın (Türkiye Enerji, Nükleer ve Maden Araştırma Kurumu'nun) meskenler için kabul ettiği 400 Bq/m3'lük sınır değerin oldukça altındadır. Ek olarak, ön-ölçümlerden elde edilen verilerin istatistiksel analizi, SPSS 25.0 programı kullanılarak yapılmıştır. Sağa çarpık bir dağılım sergileyen fakat, herhangi bir dağılıma uymayan verilerin analizleri için parametrik olmayan testler uygulanmış ve Kruskal Wallis testlerine göre; hem aylar arasında hem de mevsimler arasında radon ölçümleri bakımından istatistiksel olarak anlamlı bir fark olduğu belirlenmiştir (p<0,05).
Çalışmanın ikinci aşamasında 12 adet tekli radon takip sisteminin yer aldığı bir ölçüm ağı kurulmuştur. Ağdaki tekli sistemlere ait ölçümlerin online olarak takip edilebilmesi amacıyla bu tasarımla entegre olarak çalışabilecek web-tabanlı bir kontrol programı hazırlanmıştır. Önerilen web-kontrollü online radon takip ağı sisteminin performansı, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi'nde bulunan 12 ayrı birimde, Mart 2021 tarihinden itibaren bir yıl boyunca kesintisiz olarak gerçekleştirilen test ölçümleriyle incelenmiştir. Sorunsuz olarak çalışan bu sistemle, toplamda 97503 adet saatlik radon ölçüm verisi, yer ve zaman bilgileriyle birlikte önceden belirlenmiş www.irl32.me adresli internet alanına aktarılarak kayıt altına alınmıştır (Isparta özelinde yaşanan yoğun yağışların neden olduğu uzun süreli elektrik ve internet kesintilerinden kaynaklanan veri kaybı %7 civarındadır). Test ölçümlerinden elde edilen bina içi atmosferik radon konsantrasyonlarının 1 Bq/m3 ile 4691 Bq/m3 arasında değiştiği bulunmuştur. Fakülte genelindeki ortalama radon seviyesi ise 415 Bq/m3 olarak belirlenmiştir. Ölçüm yapılan iki birimdeki ortalama radon yoğunluklarının 1970 Bq/m3 ve 1579 Bq/m3 değerleri ile TENMAK'ın işyerleri için belirlediği 1000 Bq/m3'lük sınırı aştığı tespit edilmiştir. Fakülte genelinde, katlara bağlı ortalama radon seviyelerinin; zemin, 1.kat ve 2.kat için sırasıyla 1000 Bq/m3, 135 Bq/m3 ve 101 Bq/m3 düzeyinde olduğu bulunmuş, beklenildiği gibi yükseklik arttıkça radon yoğunluğunun azaldığı gösterilmiştir. Test ölçümlerine ait tüm veriler SPSS 25.0 programıyla istatistiksel olarak analiz edilmiş ve normal dağılıma sahip olmayan radon ölçüm verilerinin katlara ve mevsimlere bağlı değişimi parametrik olmayan testlerle incelenmiştir. Kruskal Wallis test sonuçlarına göre; radon ölçümleri ile katlar arasında istatistiksel olarak anlamlı bir farklılık olduğu (p<0,05) tespit edilmiş ve ayrıca radon ölçümleri ile mevsimler arasında istatistiksel olarak anlamlı bir farklılık olduğu bulunmuştur (p<0,05).
Bu çalışmanın limitleri dahilinde, ülkemizdeki ilk web-kontrollü online radon takip ağı sistemlerinden birini kurmak üzere geliştirdiğimiz IRL-RMS tasarımının, test ölçümlerini başarıyla geçtiği ve gerek kısa-dönemli gerekse uzun-dönemli ölçümler için atmosferik radon konsantrasyonlarının uzaktaki bir merkezde monitörlenmesi amacıyla kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Radon exposure is a real environmental problem that closely concerns public health. Radon is radioactive and is a class-A carcinogen. Everywhere we live, there is unquestionably radon, in greater or lesser quantities. Radon is heavier than air and therefore, it can accumulate indoors over time. Since inhalation of radon and its decay products is associated with the formation of lung cancer, it is very important to determine indoor radon levels and to monitor indoor radon concentrations, especially in areas with moderate or high levels of natural radiation. The presence and the amount of radon can only be detected by specially developed devices.
This study introduces a web-controlled online radon monitoring network design, which we named IRL-RMS (Isparta Radon Laboratory-Radon Monitoring System), developed for measuring and monitoring indoor atmospheric radon concentrations. The proposed system architecture consists of a control unit and IoT-based (internet of things-based) individual radon monitoring systems that measure the radon levels continuously (once every hour) at the measurement points where they are placed. Then the measurement data obtained from this network are collected online at the control center. With the aid of this design, data coming from different places (from different individual radon monitoring systems) can be processed and stored in the control center simultaneously. Real-time measurements can be monitored visually from a computer with internet access and a data set for a certain time interval can also be examined by this configuration. The proposed system was designed in two steps. In the first step, an IoT-based individual radon monitoring system was developed for online radon measurement that must fulfil the data transfer efficiency for long-term radon research, which was tested by preliminary measurements. In the second step, a web-based control program was established to control all individual systems together for a real situation. Thus, a radon monitoring network was set up and the practical use of the proposed design was investigated by one-year test measurements.
The study primarily focused on the design of a cost-effective, IoT-based individual monitoring system that can be used in homes and workplaces for monitoring and measuring atmospheric indoor levels continuously. For this purpose, a commercially available, inexpensive electronic radon detector and an SBC (single board computer) were wirelessly connected to each other. The radon measurement data received by the system is transferred to the defined internet area (cloud) and stored with the help of the code we wrote in Python language, which works in SBC. Since it is possible to access this data in the cloud with an open-source IoT application program that enables communication with internet-connected devices, the proposed design made it possible to remotely process and visualize measurement data using an internet-connected PC. A radon monitoring system must be suitable for long-term measurements. For this reason, the data transmission efficiency of our individual radon monitoring system was investigated with pre-measurements carried out between 1 June 2020 and 31 January 2021 in a residence located in the city center of Isparta. A total of 5848 hourly data were recorded during 8 months, showing that the system has a high data transmission performance of 99.5% and can be conveniently used for long-term radon studies. In the preliminary measurements, it was determined that the atmospheric radon concentrations ranged between 2 and 178 Bq/m3, and the average radon concentration in the house was 59 Bq/m3. This level is well below the reference value of 400 Bq/m3 accepted by TENMAK (Turkish Energy, Nuclear and Mining Research Institute) for homes. In addition, the statistical analyses of the data obtained from the pre-measurements were performed by using SPSS 25.0. It was found that the measurement data, which displayed a right-skewed distribution, did not fit any known distribution. Thus, non-parametric tests were applied for the analyses of the data. According to Kruskal Wallis tests, statistically significant differences were determined between radon concentrations and seasons (p<0.05), and also between radon measurements and months (p<0.05).
In the second stage of the study, a measurement network, which consists of 12 individual radon monitoring systems, was established. In order to monitor the measurements of the individual systems in the network online, a web-based control program was developed that can work in integration with the design. The performance of the proposed web-controlled online radon monitoring network system has been examined with continuous test measurements carried out for one year since March 2021 in 12 different units located at Süleyman Demirel University, Faculty of Arts & Sciences. This network system worked without any trouble. A total of 97503 hourly radon data were obtained, along with location and time information. All the data were successfully transferred to the predetermined internet area www.irl32.me and recorded The data loss was around 7% (due to long-term electricity and internet interruptions caused by heavy rains in Isparta). The test measurements revealed that the indoor atmospheric radon concentrations varied between 1 Bq/m3 and 4691 Bq/m3. The average radon level in the faculty was determined as 415 Bq/m3. It was found that the average radon concentrations in two units exceeded the reference level of 1000 Bq/m3 determined by TENMAK for workplaces (the average radon concentrations of these units were 1970 Bq/m3 and 1579 Bq/m3). In the faculty building, the average radon levels of the floors were identified as 1000 Bq/m3, 135 Bq/m3 and 101 Bq/m3 for the ground, 1st floor and 2nd floor respectively. As expected, the radon concentration decreased as the height increased. All the data from the test measurements were statistically analyzed by using SPSS 25.0. Since the variation of radon data did not display a normal distribution, non-parametric tests were used in the analyses. According to Kruskal Wallis test results; it was determined that there was a statistically significant difference between radon measurements and floors (p<0.05), and there was also a statistically significant difference between radon measurements and seasons (p<0.05).
Within the limits of this study, it can be concluded that the IRL-RMS design, which is one of the first web-controlled online radon monitoring network systems in Türkiye, accomplishes the measurement tasks successfully. Therefore, IRL-RMS can be conveniently used to monitor atmospheric radon concentrations for both short-term and long-term studies.