Design, Development and Initial Validation of a Wearable Particulate Matter Monitoring Solution

Air pollution in one of the main problems that big cities have nowadays. Traffic congestion, heaters, industrial activities, among others produce large quantities of Particulate Matter (PM) that have harmful effects on citizens health. This paper presents the design, development and initial validation of a wearable device for the detection of PM concentration, with communication capacity via WiFi and Bluetooth Low Energy and an end user interface. The results are promising due to the high accuracy of measurements collected by the developed device. This solution is a step forward in empowering citizens to prevent being exposed to high levels of air pollution and is the beginning of what could be a macro-network of air quality sensors within a Smart City. Document type: Part of book or chapter of boo

A Scoping Review on Wearable Devices for Environmental Monitoring and Their Application for Health and Wellness

This scoping review is focused on wearable devices for environmental monitoring. First, the main pollutants are presented, followed by sensing technologies that are used for the parameters of interest. Selected examples of wearables and portables are divided into commercially available and research-level projects. While many commercial products are in fact portable, there is an increasing interest in using a completely wearable technology. This allows us to correlate the pollution level to other personal information (performed activity, position, and respiratory parameters) and thus to estimate personal exposure to given pollutants. The fact that there are no univocal indices to estimate outdoor or indoor air quality is also an open problem. Finally, applications of wearables for environmental monitoring are discussed. Combining environmental monitoring with other devices would permit better choices of where to perform sports activities, especially in highly polluted areas, and provide detailed information on the living conditions of individuals

Personalized ambient parameters monitoring: design and implementing of a wrist-worn prototype for hazardous gases and sound level detection

The concentration is on “3D space utilization” as the concept and infrastructure of designing of a wearable in ambient parameters monitoring. This strategy is implemented according to “multi-layer” approach. In this approach, each group of parameters from the same category is monitored by a modular physical layer enriched with the respected sensors. Depending on the number of parameters and layers, each physical layer is located on top of another. The intention is to implement a device for “everyone in everywhere for everything”

Distributed, Low-Cost, Non-Expert Fine Dust Sensing with Smartphones

Diese Dissertation behandelt die Frage, wie mit kostengünstiger Sensorik Feinstäube in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden können. Dazu wird ein neues Sensorsystem auf Basis kostengünstiger off-the-shelf-Sensoren und Smartphones vorgestellt, entsprechende robuste Algorithmen zur Signalverarbeitung entwickelt und Erkenntnisse zur Interaktions-Gestaltung für die Messung durch Laien präsentiert. Atmosphärische Aerosolpartikel stellen im globalen Maßstab ein gravierendes Problem für die menschliche Gesundheit dar, welches sich in Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen äußert und eine Verkürzung der Lebenserwartung verursacht. Bisher wird Luftqualität ausschließlich anhand von Daten relativ weniger fester Messstellen beurteilt und mittels Modellen auf eine hohe räumliche Auflösung gebracht, so dass deren Repräsentativität für die flächendeckende Exposition der Bevölkerung ungeklärt bleibt. Es ist unmöglich, derartige räumliche Abbildungen mit den derzeitigen statischen Messnetzen zu bestimmen. Bei der gesundheitsbezogenen Bewertung von Schadstoffen geht der Trend daher stark zu räumlich differenzierenden Messungen. Ein vielversprechender Ansatz um eine hohe räumliche und zeitliche Abdeckung zu erreichen ist dabei Participatory Sensing, also die verteilte Messung durch Endanwender unter Zuhilfenahme ihrer persönlichen Endgeräte. Insbesondere für Luftqualitätsmessungen ergeben sich dabei eine Reihe von Herausforderungen - von neuer Sensorik, die kostengünstig und tragbar ist, über robuste Algorithmen zur Signalauswertung und Kalibrierung bis hin zu Anwendungen, die Laien bei der korrekten Ausführung von Messungen unterstützen und ihre Privatsphäre schützen. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Anwendungsszenario Partizipatorischer Umweltmessungen, bei denen Smartphone-basierte Sensorik zum Messen der Umwelt eingesetzt wird und üblicherweise Laien die Messungen in relativ unkontrollierter Art und Weise ausführen. Die Hauptbeiträge hierzu sind: 1. Systeme zum Erfassen von Feinstaub mit Smartphones (Low-cost Sensorik und neue Hardware): Ausgehend von früher Forschung zur Feinstaubmessung mit kostengünstiger off-the-shelf-Sensorik wurde ein Sensorkonzept entwickelt, bei dem die Feinstaub-Messung mit Hilfe eines passiven Aufsatzes auf einer Smartphone-Kamera durchgeführt wird. Zur Beurteilung der Sensorperformance wurden teilweise Labor-Messungen mit künstlich erzeugtem Staub und teilweise Feldevaluationen in Ko-Lokation mit offiziellen Messstationen des Landes durchgeführt. 2. Algorithmen zur Signalverarbeitung und Auswertung: Im Zuge neuer Sensordesigns werden Kombinationen bekannter OpenCV-Bildverarbeitungsalgorithmen (Background-Subtraction, Contour Detection etc.) zur Bildanalyse eingesetzt. Der resultierende Algorithmus erlaubt im Gegensatz zur Auswertung von Lichtstreuungs-Summensignalen die direkte Zählung von Partikeln anhand individueller Lichtspuren. Ein zweiter neuartiger Algorithmus nutzt aus, dass es bei solchen Prozessen ein signalabhängiges Rauschen gibt, dessen Verhältnis zum Mittelwert des Signals bekannt ist. Dadurch wird es möglich, Signale die von systematischen unbekannten Fehlern betroffen sind auf Basis ihres Rauschens zu analysieren und das "echte" Signal zu rekonstruieren. 3. Algorithmen zur verteilten Kalibrierung bei gleichzeitigem Schutz der Privatsphäre: Eine Herausforderung partizipatorischer Umweltmessungen ist die wiederkehrende Notwendigkeit der Sensorkalibrierung. Dies beruht zum einen auf der Instabilität insbesondere kostengünstiger Luftqualitätssensorik und zum anderen auf der Problematik, dass Endbenutzern die Mittel für eine Kalibrierung üblicherweise fehlen. Bestehende Ansätze zur sogenannten Cross-Kalibrierung von Sensoren, die sich in Ko-Lokation mit einer Referenzstation oder anderen Sensoren befinden, wurden auf Daten günstiger Feinstaubsensorik angewendet sowie um Mechanismen erweitert, die eine Kalibrierung von Sensoren untereinander ohne Preisgabe privater Informationen (Identität, Ort) ermöglicht. 4. Mensch-Maschine-Interaktions-Gestaltungsrichtlinien für Participatory Sensing: Auf Basis mehrerer kleiner explorativer Nutzerstudien wurde empirisch eine Taxonomie der Fehler erstellt, die Laien beim Messen von Umweltinformationen mit Smartphones machen. Davon ausgehend wurden mögliche Gegenmaßnahmen gesammelt und klassifiziert. In einer großen summativen Studie mit einer hohen Teilnehmerzahl wurde der Effekt verschiedener dieser Maßnahmen durch den Vergleich vier unterschiedlicher Varianten einer App zur partizipatorischen Messung von Umgebungslautstärke evaluiert. Die dabei gefundenen Erkenntnisse bilden die Basis für Richtlinien zur Gestaltung effizienter Nutzerschnittstellen für Participatory Sensing auf Mobilgeräten. 5. Design Patterns für Participatory Sensing Games auf Mobilgeräten (Gamification): Ein weiterer erforschter Ansatz beschäftigt sich mit der Gamifizierung des Messprozesses um Nutzerfehler durch den Einsatz geeigneter Spielmechanismen zu minimieren. Dabei wird der Messprozess z.B. in ein Smartphone-Spiel (sog. Minigame) eingebettet, das im Hintergrund bei geeignetem Kontext die Messung durchführt. Zur Entwicklung dieses "Sensified Gaming" getauften Konzepts wurden Kernaufgaben im Participatory Sensing identifiziert und mit aus der Literatur zu sammelnden Spielmechanismen (Game Design Patterns) gegenübergestellt

A Scoping Review of Technological Approaches to Environmental Monitoring

Indoor environment quality (IEQ) can negatively affect occupant health and wellbeing. Air quality, as well as thermal, visual and auditory conditions, can determine how comfortable occupants feel within buildings. Some can be measured objectively, but many are assessed by interpreting qualitative responses. Continuous monitoring by passive sensors may be useful to identify links between environmental and physiological changes. Few studies localise measurements to an occupant level perhaps due to many environmental monitoring solutions being large and expensive. Traditional models for occupant comfort analysis often exacerbate this by not differentiating between individual building occupants. This scoping review aims to understand IEQ and explore approaches as to how it is measured with various sensing technologies, identifying trends for monitoring occupant health and wellbeing. Twenty-seven studies were reviewed, and more than 60 state-of-the-art and low-cost IEQ sensors identified. Studies were found to focus on the home or workplace, but not both. This review also found how wearable technology could be used to augment IEQ measurements, creating personalised approaches to health and wellbeing. Opportunities exist to make individuals the primary unit of analysis. Future research should explore holistic personalised approaches to health monitoring in buildings that analyse the individual as they move between environments

Recognition of cooking activities through air quality sensor data for supporting food journaling

Abstract Unhealthy behaviors regarding nutrition are a global risk for health. Therefore, the healthiness of an individual's nutrition should be monitored in the medium and long term. A powerful tool for monitoring nutrition is a food diary; i.e., a daily list of food taken by the individual, together with portion information. Unfortunately, frail people such as the elderly have a hard time filling food diaries on a continuous basis due to forgetfulness or physical issues. Existing solutions based on mobile apps also require user's effort and are rarely used in the long term, especially by elderly people. For these reasons, in this paper we propose a novel architecture to automatically recognize the preparation of food at home in a privacy-preserving and unobtrusive way, by means of air quality data acquired from a commercial sensor. In particular, we devised statistical features to represent the trend of several air parameters, and a deep neural network for recognizing cooking activities based on those data. We collected a large corpus of annotated sensor data gathered over a period of 8 months from different individuals in different homes, and performed extensive experiments. Moreover, we developed an initial prototype of an interactive system for acquiring food information from the user when a cooking activity is detected by the neural network. To the best of our knowledge, this is the first work that adopts air quality sensor data for cooking activity recognition

Low-Cost Outdoor Air Quality Monitoring and Sensor Calibration: A Survey and Critical Analysis

arXiv:1912.06384 [eess.SP]The significance of air pollution and the problems associated with it are fueling deployments of air quality monitoring stations worldwide. The most common approach for air quality monitoring is to rely on environmental monitoring stations, which unfortunately are very expensive both to acquire and to maintain. Hence environmental monitoring stations are typically sparsely deployed, resulting in limited spatial resolution for measurements. Recently, low-cost air quality sensors have emerged as an alternative that can improve the granularity of monitoring. The use of low-cost air quality sensors, however, presents several challenges: they suffer from cross-sensitivities between different ambient pollutants; they can be affected by external factors, such as traffic, weather changes, and human behavior; and their accuracy degrades over time. Periodic re-calibration can improve the accuracy of low-cost sensors, particularly with machine-learning-based calibration, which has shown great promise due to its capability to calibrate sensors in-field. In this article, we survey the rapidly growing research landscape of low-cost sensor technologies for air quality monitoring and their calibration using machine learning techniques. We also identify open research challenges and present directions for future research.Peer reviewe

ME-EM 2018-19 Annual Report

Table of Contents Faculty Research Enrollment & Degrees Department News Graduates Faculty & Staff Alumni Donors Contracts & Grants Patents & Publicationshttps://digitalcommons.mtu.edu/mechanical-annualreports/1000/thumbnail.jp