Master's Thesis

Outdoor Air Quality Measurement Module for Recuperation Units

Final Thesis 27.19 MB Appendix 8.94 MB

Author of thesis: Bc. Ondřej Březina

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Stanislav Pikula, Ph.D.

Reviewer: Ing. Albert Mlčoch

Abstract:

This master's thesis deals with the design and implementation of an outdoor air quality measurement module, primarily intended for controlled ventilation systems.
The device hardware is based on the ESP32-S3 microcontroller and integrates the SEN55 particulate matter sensor, the MiCS-6814 sensor, and a pair of electrochemical sensors for the detection of sulfur dioxide (SO2) and hydrogen sulfide (H2S).
The realized module communicates with a master system using the industrial Modbus protocol in both RTU (RS-485) and TCP (Wi-Fi) variants, and features a web interface for configuration purposes.
The functionality and stability of the entire solution were successfully verified using an automated testing setup with a Raspberry Pi 4 and an InfluxDB database, both in a climatic chamber and in real outdoor conditions.

Keywords:

air quality, ESP32, Modbus, RS-485, SEN55, MiCS-6814, electrochemical sensors, Raspberry Pi, climatic chamber, InfluxDB, controlled ventilation

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obhájil diplomovou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy student odpověděl na dotazy ohledně selektivity snímačů, zapojení ADC a výpočetního výkonu navrženého zařízení. Byl tázán na podrobnosti provedených experimentů. Student na dotazy odpověděl bez výhrad.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Dr. Ing. Alexandr Štefek, Dr. (předseda)
doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Tomáš Macho, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Pikula, Ph.D. (člen)
Ing. Soňa Šedivá, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Štohl, Ph.D. (člen)
Ing. et Ing. Lukáš Zezula, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Stanislav Pikula, Ph.D.

Student během řešení diplomové práce pracoval samostatně, systematicky a pravidelně konzultoval postup prací s vedoucím. Na konzultace byl vždy velmi dobře připraven, dokázal prezentovat dosažené výsledky, diskutovat technické problémy a navrhovat vhodná řešení.

V průběhu řešení student postupoval průběžně podle stanoveného harmonogramu a splnil všechny cíle zadání. Výsledkem práce je plně funkční modul pro měření kvality ovzduší určený pro rekuperační jednotky, který byl základně ověřen v laboratorních podmínkách i reálném prostředí.

Oceňuji zejména šíři znalostí a dovedností, které student při řešení práce prokázal. Zvládl celý vývojový proces od návrhu systému a výběru vhodných senzorů přes návrh desky plošných spojů, programování vestavěného procesoru, návrh a realizaci 3D tištěného krytu až po experimentální ověření funkčnosti systému. Součástí ověření student nad rámec zadání vytvořil logování měřených dat prostřednictvím platformy Raspberry Pi.

Text diplomové práce je zpracován na velmi dobré odborné úrovni. Student přehledně popsal návrh, realizaci i výsledky experimentálního ověření, jednotlivé kroky vhodně zdokumentoval a dosažené výsledky kriticky zhodnotil.

Student splnil zadání diplomové práce v plném rozsahu. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení stupněm A (výborně). Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Albert Mlčoch

Diplomová práce pana Březiny se zabývá řízením filtrace vzduchu u rekuperačních jednotek. Účelem je prodloužit životnost filtrů a tím snížit provozní náklady rekuperačních jednotek.

V úvodu práce student srozumitelně vysvětlil motivaci práce, předpokládaný mechanismus řešení problému řízení filtrace vzduchu a popsal výpočet indexů kvality vzduchu v ČR i v okolních státech. Dále jsou rozebírány látky způsobující zápach, složení spalin běžných kotlů a komerční řešení monitorování stavu ovzduší. Kapitola je logicky členěna a řádně zdrojována. Touto kapitolou je splněn první bod zadání.

Student provedl výběr vhodných senzorů a vhodného HW pro měření různých látek v ovzduší a veličin ovlivňujících měření (tlak, teplota, vlhkost). Navrhl a nechal zhotovit PCB včetně ochran vstupů/výstupů proti přepětí a volitelného způsobu napájení. Návrh i jeho dokumentaci hodnotím jako kvalitní. Student tím bez pochyb splnil body zadání 2 a 3.
Drobné chyby jsou v dokumentaci navržené PCB. Nesedí názvy součástek ve schématech s názvy v zapojení PCB (např. relé K1 označené na PCB jako K2; USB konektor J5 označený na PCB jako J3; výstup relé ve schématu J3, na PCB označen J4; atd.). Ve schématu je uvedeno jiné relé, než skutečně osazené relé.

Výhradu mám k navržené izolační ochraně beznapěťového výstupu relé pomocí optického relé s izolační ochranou 4 kV. Optické relé spíná magnetické výstupní relé. Obě relé jsou napájena ze zdroje +5V. V případě průrazu z výstupních kontaktů magnetického relé na PCB (ochrana jen 1500 V) bude izolační ochrana 4 kV obejita právě přes napájení obou relé +5V. Z napájení +5V jsou napájeny i některé sensory a ADC, které ochranu nemají.

V SW části práce student využil FreeRTOS pro obsluhu periférií ve vláknech a rozložení výkonu do obou jader mikrokontroleru ESP32. Program rozdělil do několika logických vrstev, které spolu komunikují přes sdílené části paměti. Probíhá komunikace s uživatelem přes webové rozhraní i průmyslová komunikace přes Modbus TCP/RTU. Klíčové informace jsou ukládány do paměti FLASH. Programové řešení hodnotím jako zdařilé. Student prokázal vysokou úroveň znalostí v oblasti embedded programování a splnil 4. bod zadání.

Testování navrženého modulu proběhlo přes platformu Raspberry Pi 4. Raspberry Pi 4 vyčítalo a ukládalo data z navrženého modulu. Bylo provedeno jak laboratorní testování, tak testování ve venkovních podmínkách. Student navrhl a otestoval korekci dat na okolní teplotu. Získaná data popsal a vyhodnotil. Poté navrhl možná vylepšení pro další verzi zařízení zahrnující především modularitu senzorické části. Navržené zařízení bylo otestováno v rámci časových a materiálních možností diplomové práce poměrně důkladně. Tím byly splněny body zadání 5 a 6.

Student prokázal výborné inženýrské schopnosti jak v HW, tak v SW i v metrologické části práce. Po prezentační a formální stránce je práce na dobré úrovni.
Hodnotím stupněm A (výborně), 98 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Řešil jste při výběru senzorů i jejich selektivitu? (tj. jestli vyšší koncentrace některé z uvažovaných chemikálií v ovzduší neovlivňuje měření i ostatních chemikálií, zejména u senzorů s rezistivní vrstvou)
  2. Proč jste pro měření velkých odporů senzoru MiCS-6814 nevyužil výrobcem doporučený postup s více rezistory v děliči? (datasheet MiCS-6814 1143 rev 8, strana 3)
  3. Frekvence vyčítání dat je 1 sps, je vyčítání dat a obsluha periferií tak náročná, že je třeba využít dvoujádrový procesor?
Points proposed by reviewer: 98

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová