Сборка и использование пылемера для установления зависимости уровня пылевой загрязненности жилых помещений

Пыль — неотъемлемая часть повседневной жизни, которая постоянно окружает человека и при этом часто недооценивается в качестве фактора, влияющего на здоровье. Особенно критично её присутствие в помещениях, где находятся дети и люди с заболеваниями дыхательной системы, а также с различными видами аллергии. Актуальность работы заключается в необходимости простых и доступных решений для контроля уровня пыли в домашних условиях.

Пыль — это мельчайшие сухие частицы, которые летают в воздухе или оседают на поверхностях. В словаре С. И. Ожегова пыль описывается как «Мельчайшие сухие частицы, носящиеся в воздухе или скапливающиеся на поверхности чего-нибудь»[1].

Не вся пыль имеет безопасное природное происхождение. Особенно часто в городских жилищах «обитает» токсичная пыль антропогенного происхождения.

Домашняя пыль состоит примерно на 35% из минеральных частиц, на 12% из текстильных и бумажных волокон, на 19% из чешуек кожи, на 7% из цветочной пыльцы, на 3% из частиц сажи и дыма. Оставшиеся 24 % приходятся на источники неустановленного происхождения[2, c. 11].

Не представляет серьёзной угрозы жизни и здоровью человека пыль антропогенного характера, источниками которой являются: стёртые частички мебели, ковров и паласов, частички омертвевшей кожи, ногтей и волос человека и домашних питомцев, перхоть, пыльца и споры комнатных растений, а также волокна тканей. Источниками небезопасной пыли антропогенного характера являются грибки и другие микроорганизмы, частицы стёртых резиновых покрышек колёс автомобилей, продукты сгорания минерального топлива: дерева, угля, нефти – и выхлопные газы автомобилей, всевозможные химические средства (порошки и жидкие средства для чистки и стирки, шампуни, аэрозоли ит.д.), а также сигаретный дым и мельчайшие остатки строительных материалов и облупившейся краски.

Частицы пыли PM2.5 и PM10 особенно опасны, поскольку могут вызывать аллергию, кашель и даже болезни дыхательных путей. В России действуют Санитарные нормы и правила (СанПиН), устанавливающие предельно допустимые концентрации (ПДК) взвешенных частиц в воздухе.

Согласно санитарным правилам и нормам СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания", введенным Постановлением Главного государственного санитарного врача в Российской Федерации от 28.01.2021 г. № 2, их предельно допустимые концентрации в воздухе следующие (таблица 1)[3].

Таблица 1

Предельно допустимые концентрации в воздухе РМ2,5 и РМ10 согласно СанПиН РФ 1.2.3685-21

При этом такая мелкодисперсная пыль является неотъемлемой составляющей атмосферы, особенно в условиях крупного мегаполиса. В частности, большое количество такой пыли, например, образуется в процессе строительства. Как указывает А.А. Сахарова, современное строительство требует использования новых высококачественных материалов с улучшенными свойствами, что можно достичь при использовании активных минеральных добавок – мела, доломитовой муки, опоки и др. При этом подготовка к их использованию в технологическом процессе включает в себя процессы дробления, помола и т.д., которые сопровождаются значительным выделением пыли, преимущественно мелкодисперсной, представляющей максимальную опасность для здоровья человека[4, с. 3].

Объектом исследования являлся воздух в жилых помещениях, а целью исследования — разработка прибора для измерения концентрации пыли и проведение замеров в реальных условиях. При этом была выдвинута гипотеза, что уровень пыли изменяется в зависимости от влажности, температуры и других внешних факторов.

Были поставлены следующие задачи исследования:

- изучить состав пыли и её источники;

- ознакомиться с действующими санитарными нормами и правилами;

- собрать устройство на базе Arduino для измерения концентрации пыли в воздухе;

- провести измерения в двух разных квартирах с использованием собранного прибора;

- проанализировать зависимость концентрации пыли от условий среды.

Для измерения концентрации пыли в воздухе, особенно, в медицинских учреждениях, на производственных предприятиях, на строительных площадках и в других местах, где пыль может представлять опасность, используются пылемеры - аналитические приборы, предназначенные для измерения концентрации пыли в воздухе, на рабочих поверхностях в жилых помещениях. При выборе пылемера учитывается размер частиц пыли, так как пыль может быть различной дисперсности. На возможность использования мобильных пылемеров в целях исследования загрязнения воздуха, в частности, указывают В.Н. Азаров с соавт. [5, c. 272.]

Исследование проводилось в жилых помещениях при обычной жизнедеятельности. Для измерения использовалось самостоятельно собранное устройство– пылемер, изображенное на рисунке 1.

Рисунок 1. Собранный пылемер

Собранный пылемер включает в себя:

- микроконтроллер ArduinoUno, управляющий сбором данных;

- датчик пыли GP2Y1014AU0F, внутри которого есть два важных элемента: маленький светодиод и фотодетектор. Фотодетектор – это специальный элемент, который реагирует на свет. Когда на него попадает свет, он превращает этот свет в электрический сигнал. Светодиод светит внутрь датчика. Этот свет невидимый для нас, потому что он инфракрасный. Он проходит через воздух, который попадает внутрь датчика. Когда воздух чистый, свет от светодиода почти полностью проходит мимо фотодетектора и он видит мало света. Когда в воздухе есть пыль, свет сталкивается с частицами пыли и начинает отражаться или рассеиваться. В этот момент фотодетектор улавливает больше света, потому что счет отскакивает от пылинок и попадает на него. Датчик определяет, сколько света вернулось. Чем больше пыли в воздухе, тем больше света отражается и попадает на фотодетектор. Это позволяет датчику рассчитать концентрацию пыли и выдать число, которое показывает, насколько воздух загрязнен.

Когда фотодетектор ловит больше света, он генерирует больше электрического тока. Этот ток вызывает изменение напряжения на выходе фотодетектора. Схема подключения датчика пыли GP2Y1014AU0F к плате ArduinoUno изображена на рисунке 2, принцип работы датчика пыли – на рисунке 3.

Рисунок 2. Схема подключения датчика пыли к плате

Рисунок 3. Принцип работы датчика пыли

- датчик температуры и влажности DHT22 - универсальный и экономичный датчик, используемый для измерения температуры и влажности окружающей среды в самых разных областях применения. Датчик имеет цифровой сигнальный выход и позволяет производить высокоточные измерения с разрешением 0,1 градуса Цельсия для температуры и 0,1% для влажности, использует емкостной чувствительный элемент влажности и термистор для измерения влажности и температуры соответственно. Датчик DHT22 также имеет относительно малое энергопотребление и может работать в диапазоне напряжений от 3,3В до 5В, что делает его подходящим для проектов с питанием от батареек/аккумуляторов. Кроме того, датчик обладает долговременной стабильностью и высокой надежностью, что делает его идеальным выбором для различных приложений, таких как HVAC, метеостанции и системы мониторинга качества воздуха. Схема подключения датчика температуры и влажности DHT22 к плате ArduinoUno изображена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема подключения датчика температуры и влажности к плате

Сборка прибора производилась без пайки на макетной плате при помощи проводов типа папа-папа. Код программы был написан в ArduinoIDE. Перед запуском программы были установлены все библиотеки, требуемые для правильной работы датчиков. Для расчета концентрации пыли в воздухе была использована формула от ChrisNafis, которая была разработана именно для датчика пыли GP2Y1014AU0F. Для автоматизации работы собранного прибора был реализован код с использованием программы VSCode. Данный скрипт осуществляет запись полученных данных в файл, если Arduino подключено к компьютеру. Также ярлык файла был помещен в папку автозагрузки, так что при включении ноутбука запускается данный скрипт и ждет подключения микроконтроллера.

Измерения проводились в течение суток в двух квартирах с различными условиями (наличие людей, животных, растений, ковров, мягкой мебели и т.д.).

С помощью пылемера была измерена концентрация пыли в двух квартирах с различной температурой и влажностью воздуха. Температура и влажность, концентрация пыли в квартире 1 приведены, соответственно, на рисунках 5 и 6. В Этой квартире живут двое взрослых, двое детей, три кошки, большая собака и нет растений.

Рисунок 5. Зависимость температуры и влажности от времени в квартире 1

Рисунок 6. Зависимость концентрации пыли от времени в квартире 1

На графике видна обратная зависимость концентрации пыли от влажности, то есть при увеличении влажности концентрация пыли уменьшается. Повышенная влажность снижает способность пыли подниматься и удерживаться в воздухе. Мокрые поверхности меньше поднимают пыль в воздух при взаимодействии с потоками воздуха. Однако не стоит забывать про сторонние факторы, такие как приток воздуха с улицы (примерно в то же время уменьшилась температура), хождение по коврам поднимает пыль в воздух, а также домашние животные.

Для подтверждения гипотезы были проведены измерения в другой квартире при других условиях (количество людей, наличие домашних животных, растений), полученные данные приведены на рисунке 7. В этой квартире живут двое взрослых, присутствуют растения.

Рисунок 7. Концентрация пыли, температура и влажность в квартире 2

По графикам видна обратная зависимость концентрации пыли от влажности. Так, в начале измерений влажность уменьшается, в то время как концентрация пыли возрастает, присутствуют небольшие колебания на протяжении всего измерения.

Аналогично предыдущим измерениям, зависимости концентрации пыли от температуры не выявлено, однако можно отметить ее постоянство на протяжении всего эксперимента. Среднее значение концентрации пыли в этих условиях составило 28,5 мкг/м3, что немного ниже, чем при первичных условиях (там средняя концентрация пыли составила 30,7мкг/м3).

На зависимость концентрации пыли от влажности воздуха, в частности, на территориях с муссонным морским климатом, где большую роль в качестве воздушной среды играют процессы самоочищения, указывают, также, Л.В. Веремчук с соавт. [6, c. 205-206].

Проведенные измерения показали, что концентрация пыли в помещениях зависит от множества факторов, в том числе от влажности. При этом повышенная влажность способствует оседанию пыли, что снижает её концентрацию в воздухе, и подтверждает важность регулярной влажной уборки в поддержании чистоты и свежести воздуха в помещении. Кроме того, можно утверждать, что в квартирах с детьми и домашними животными уровень пыли был выше, что подтверждает необходимость более частой уборки в таких домах. Все измеренные значения концентрации пыли соответствуют санитарным нормам (СанПиН), что подтверждает безопасность условий для здоровья жителей обеих квартир. Соответственно, даже при наличии пыли в воздухе, соблюдение норм и регулярная уборка могут существенно снизить риски для здоровья и сделать пребывание в помещении более комфортным.

1. Толковый словарь С.И Ожегова. Интернет ресурс: https://slovarozhegova.ru/word.php?wordid=25413 (дата обращения – 14.06.2025 г.).
2. Макарова Н.А. Домашняя пыль – круглогодичный аллерген // Астма и аллергия. 2017. №3. С. 11-12.
3. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021 N 2(ред. от 30.12.2022)"Об утверждении санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания"(вместе с "СанПиН 1.2.3685-21. Санитарные правила и нормы...") (Зарегистрировано в Минюсте России 29.01.2021 N 62296). СПС «КонсультантПлюс». Интернет-источник https://cloud.consultant.ru/cloud/cgi/online.cgi?req=doc&base=LAW&n=441707&dst=0&edition=etD&rnd=mCEkMg#rAvj5oUduSHDXEG5 (дата обращения – 14.06.2025 г.)
4. Сахарова А.А. Повышение экологической безопасности городов при снижении выбросов в атмосферу предприятий стройиндустрии, содержащих пыль активных минеральных добавок: автореферат дис. – Волгоград, 2022. – 24 с.
5. Азаров В.Н., Шевченко В.В., Аликов А.В., Гаспарян А.С., Мензелинцева Н.В. Оценка точности мобильных пылемеров при измерении концентрации мелкодисперсной пыли // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2024. № 4(97). С. 272-283.
6. Веремчук Л.В., Виткина Т.И., Барскова Л.С. Самоочищение атмосферного воздуха в условиях прибрежного морского климата // Теоретическая и прикладная экология. 2024. №1. С. 199-208.