Design and Performance Evaluation of a ZigBee-Based Wireless Sensor Network for CO and PM2.5 Air Quality Monitoring in Calabar Metropolis

في المدن حول العالم، غالبًا ما يكون الهواء الذي نتنفسه غير مرئي، ومع ذلك فهو يحمل عبئًا ثقيلاً من التلوث. اثنان من أخطر مكونات هذا التهديد الخفي هما أول أكسيد الكربون، وهو غاز عديم اللون ينتج عن حرق الوقود، والجسيمات الدقيقة المعروفة باسم PM2.5، والتي تتكون من جزيئات صغيرة جدًا بما يكفي لتتسلل إلى أعماق الرئتين البشرية وتدخل مجرى الدم. تعتمد الطرق التقليدية لتتبع هذه الملوثات على آلات ضخمة ومكلفة وثابتة يصعب نقلها أو نشرها بأعداد كبيرة. وهذا القصور يترك العديد من المناطق الحضرية دون صورة واضحة ولحظية لجودة الهواء فيها. ولحل هذه المشكلة، توجه الباحثون إلى شبكات الاستشعار اللاسلكية، وهي تقنية تستخدم أجهزة صغيرة منخفضة الطاقة للتواصل مع بعضها البعض وإرسال البيانات إلى نقطة مركزية. ومن خلال ترتيب هذه الأجهزة في شكل شبكي (mesh)، حيث يتحدث كل جهاز مع جيرانه، يمكن للنظام تغطية مساحة واسعة دون الحاجة إلى برج واحد ضخم، مما يوفر وسيلة لمراقبة البيئة بشكل مستمر وبتكلفة معقولة.

وفي الشوارع الصاخبة لمدينة كالابار في نيجيريا، شرع فريق من المهندسين من جامعة ولاية كروس ريفر في اختبار ما إذا كان هذا النهج يمكن أن ينجح بالنسبة لتحدياتهم الحضرية الخاصة. لقد صمموا شبكة من عقد الاستشعار القادرة على اكتشاف أول أكسيد الكربون وPM2.5، باستخدام معيار اتصال يسمى "ZigBee"، المعروف باستهلاكه المنخفض للطاقة وقدرته على تكوين اتصالات موثوقة عبر مسافات قصيرة. لم يكتفِ الباحثون ببناء الأجهزة فحسب، بل أنشأوا نموذجًا رياضيًا مفصلاً للتنبؤ بكيفية سلوك النظام في العالم الحقيقي. لقد قاموا بمحاكاة كيفية انتشار المستشعرات عبر المدينة، وكيف ستنتقل الإشارات بينها، وكم ستستهلك الأجهزة من طاقة البطارية بمرور الوقت. ومن خلال تشغيل هذه المحاكاة على جهاز كمبيوتر، تمكنوا من تصور الشبكة بأكملها وهي تعمل، ورؤية كيف تتغير مستويات التلوث من ساعة إلى أخرى، وكيف ستتفاعل المستشعرات مع حركة المرور والنشاط الصناعي في المدينة.

رسمت نتائج هذه المحاكاة صورة واضحة لجودة الهواء في كالابار. فقد نجح النظام في اكتشاف متوسط مستوى لأول أكسيد الكربون يبلغ 30 جزءًا في المليون، وتركيز PM2.5 يبلغ 40 ميكروغرام لكل متر مكعب. وعند دمج هذه الأرقام في مقياس قياسي لجودة الهواء، كانت النتيجة هي مؤشر قدره 112.5. يضع هذا الرقم جودة الهواء في فئة توصف بأنها "غير صحية للفئات الحساسة"، مما يشير إلى أنه رغم أن الهواء ليس سامًا بشكل مباشر للجميع، إلا أنه يشكل خطرًا كبيرًا على الأطفال وكبار السن والمصابين بأمراض تنفسية. وأكدت الدراسة أن مستويات التلوث تتقلب طوال اليوم، حيث ترتفع خلال ساعات الذروة المرورية عندما تكون المركبات أكثر نشاطًا، وتنخفض عندما تهدأ المدينة. ويشير هذا السلوك الديناميكي إلى أن المستشعرات تلتقط بدقة الإيقاع الواقعي للتلوث الحضري.

وبعيدًا عن مجرد قياس الهواء، قيم الباحثون مدى كفاءة عمل الشبكة نفسها. ووجدوا أن الإشارات اللاسلكية كانت قوية وموثوقة، حيث وصلت البيانات إلى المحطة المركزية دون انقطاع. تمكن النظام من التعامل مع تدفق مستمر من المعلومات من 120 إلى 300 عقدة استشعار، مما خلق منطقة تغطية تتحسن مع إضافة المزيد من الأجهزة. ومع ذلك، سلطت الدراسة الضوء أيضًا على مقايضة عملية: فبينما أدت إضافة المزيد من المستشعرات إلى تحسين خريطة المدينة، إلا أنها زادت أيضًا من الطلب على الشبكة. أظهرت عمليات المحاكاة أن الشبكة يمكنها تحمل حوالي 4,065 عملية إرسال قبل أن تحتاج بطاريات المستشعرات إلى الاستبدال، وهو ما يعادل حوالي ثلاثة أيام من التشغيل المستمر إذا أرسلت المستشعرات بياناتها كل دقيقة. تشير هذه النتيجة إلى أنه على الرغم من فعالية النظام، إلا أنه سيتطلب استراتيجية لإدارة الطاقة، مثل وضع المستشعرات في وضع السكون عندما لا تكون قيد الاستخدام، لكي تدوم لفترة أطول في الميدان.

كما أنشأ الباحثون خرائط مرئية لإظهار كيفية انتشار التلوث عبر المدينة. وكشفت هذه الخرائط عن "بؤر ساخنة" حيث يكون التلوث أكثر شدة، مما سمح للمخططين برؤية الأماكن التي يكون فيها الهواء في أسوأ حالاته بدقة. وقد أثبتت طوبولوجيا الشبكة (network topology)، أو الطريقة التي تتصل بها المستشعرات ببعضها البعض، أنها متينة؛ فحتى لو فشل مستشعر واحد، يمكن للأخرى تمرير البيانات، مما يضمن بقاء النظام سليمًا. تم تقييم الأداء العام للنظام بنسبة 76.5%، وهو رقم يعكس التوازن بين مدى تغطيته للمنطقة، ومدى موثوقية اتصالاته، ومدى كفاءة استخدامه للطاقة. تشير هذه الدرجة إلى أن هذا النهج قابل للتطبيق وقابل للتوسع، مما يقدم حلاً عمليًا للمدن التي تحتاج إلى مراقبة هوائها دون التكاليف الباهظة لمحطات المراقبة التقليدية.

في الختام، يوضح هذا البحث أن شبكة من المستشعرات الصغيرة المترابطة يمكن أن توفر رؤية مفصلة ودقيقة لجودة الهواء في المناطق الحضرية. وبالنسبة لكالابار، وللمدن الأخرى التي تواجه تحديات مماثلة، توفر هذه التقنية وسيلة للانتقال من التخمين بشأن التلوث إلى معرفة أين ومتى يمثل مشكلة بالضبط. تؤكد الدراسة أن الهواء في المدينة حاليًا غير صحي للفئات الحساسة، وهو ما يؤكد الحاجة إلى إدارة بيئية أفضل. ومن خلال إثبات أن الأنظمة اللاسلكية منخفضة التكلفة يمكن أن تعمل بفعالية، قدم الباحثون مخططًا لبناء مدن أكثر ذكاءً واستجابة، حيث لا يعود الهواء الذي نتنفسه لغزًا، بل جزءًا يمكن إدارته من حياتنا اليومية.