Smartes System zur Luftqualitäts- & Abfallüberwachung mit Raspberry Pi, Arduino & IOTA

Benötigte Hardware

• Raspberry Pi 3 Model B (Zentraleinheit, MQTT-Broker, IOTA-Client)
• Arduino UNO (Sensor-Interface für DHT11, MQ-2, MQ-7)
• NodeMCU ESP8266 (Ultraschall-Sensor für Abfallbehälter, MQTT-Client)
• Sensoren:
  • DHT11 (Temperatur & Luftfeuchte)
  • MQ-2 (LPG/Gas)
  • MQ-7 (CO)
  • HC-SR04 / SRF05 (Ultraschall, Füllstand)
• Netzteile, Kabel, Jumper-Wires, 5V-Batterie (Puffer)

Software & Dienste

• Raspbian OS auf Raspberry Pi
• Node.js (v8.x) für IOTA-Skripte
• MQTT Broker (Mosquitto) auf Raspberry Pi
• IOTA Tangle (Masked Authenticated Messaging – MAM) für manipulationssichere Datenspeicherung
• Arduino IDE für Firmware auf Arduino & NodeMCU
• Bibliotheken: node-dht-sensor, iota.lib.js, mam.client.js, serialport, PubSubClient (MQTT für ESP8266)

Projektübersicht

Das Projekt demonstriert Building Automation mit IOTA Tangle (DAG-basiert, gebührenfrei, skalierbar). Es ist in drei Versionen unterteilt:

1. Luftqualität v1: DHT11 an Raspberry Pi → IOTA Tangle (MAM)
2. Luftqualität v2: DHT11, MQ-2, MQ-7 an Arduino UNO → Raspberry Pi (Serial) → IOTA Tangle (MAM)
3. Abfallüberwachung: Ultraschall an NodeMCU → MQTT → Raspberry Pi → IOTA Tangle (MAM)

Version 1: Luftqualität (Raspberry Pi direkt)

• Sensor: DHT11 an GPIO 4
• Skripte: sensor.js (Test), mam_sensor.js (Publish), mam_receive.js (Subscribe)
• Daten: Stadt, Gebäude, UTC-Zeitstempel, Temperatur (°C/°F), Luftfeuchte (%)
• IOTA-Node: https://potato.iotasalad.org:14265 (Restricted Mode, Sidekey: „mysecret“)

Version 2: Erweiterte Luftqualität (Arduino UNO + Raspberry Pi)

• Arduino liest DHT11, MQ-2, MQ-7 → seriell an Raspberry Pi (9600 Baud)
• Node.js-Skripte (mam_sensorArduino.js, mam_receiveArduino.js) lesen Serial-Port und publizieren via MAM
• Daten: LPG (ppm), CO (ppm), Temperatur (°C), Luftfeuchte (%)
• Simulierter Standort: New York, Gebäude 13

Version 3: Abfallüberwachung (NodeMCU + MQTT + IOTA)

• NodeMCU misst Füllstand per Ultraschall (HC-SR04) → Prozentwert
• MQTT-Publish an Mosquitto auf Raspberry Pi (Topic: Füllstand)
• Node.js-Skript nodemcu_mqtt_mam.js abonniert MQTT, publiziert an IOTA Tangle
• Daten: Stadt (Berlin), Gebäude (7), UTC-Zeitstempel, Füllstand (%)

Installation & Inbetriebnahme (Kurzfassung)

1. Raspbian installieren, Node.js 8.x, BCM2835-Library (für DHT11 auf Pi) kompilieren.
2. Projekt-Repo klonen: git clone https://github.com/guillengap/indoor-air-quality-and-garbage-monitoring-system.git
3. npm install + npm install serialport im Projektordner.
4. Mosquitto MQTT-Broker auf Pi installieren & konfigurieren.
5. Arduino IDE: ESP8266-Boardmanager-URL hinzufügen, Board installieren, PubSubClient-Library installieren.
6. Firmwares flashen: sensorArduino.ino (UNO), trashcan.ino (NodeMCU mit WLAN/MQTT-Config).
7. Serielle Ports prüfen (node listportsArduino.js).
8. MAM-Skripte starten: node mam_sensor.js, node mam_sensorArduino.js, node nodemcu_mqtt_mam.js.
9. Daten empfangen: node mam_receive.js <ROOT> etc.

Fazit

• v1: Einfacher Einstieg, funktioniert zuverlässig für Temp/Hum.
• v2: Praktische Erweiterung um Gassensoren (LPG, CO) – geeignet für Smart Buildings & Industrie.
• Abfall: Füllstandserkennung in Echtzeit – verhindert Geruchsbildung, optimiert Leerungsintervalle.

Alle Daten liegen unveränderbar im IOTA Tangle (MAM) – ideal für Audit-Trails, Compliance & IoT-Datenintegrität.

Quellcode & Schematics

Alle JavaScript- und Arduino-Skripte sowie Schaltpläne sind im GitHub-Repository des Projekts enthalten.