Measuring Cycling Environment for Internet of Things Applications

Abstract

Increasing population in cities creates increasing amount of traffic, which leads to emissions and traffic congestion. Smart Cities set out to solve the challenges urban cities face due to the increased population, using Internet of Things as means to monitor the assets as it allows non-traditional devices to connect as a part of global information network. At the same time, cycling has increased its popularity as an environmentally friendly as well as healthy transportation method. To further its usage, infrastructure in cities must support cycling as a serious transportation method. For this purpose, it is important to include bicycles to Smart City with measurements of cycling and its environment.

This thesis studies if it is possible to measure factors affecting cycling environment and assess route quality without using sensors built in bicycle frame. Decision to avoid sensors embedded in frame stemmed from incentive to have easily available and inexpensive measuring device, which does not bind the cyclists to use bicycles from specific brand or require them to purchase new bike if they are interested in participating in measuring. For evaluating the feasibility of cycling environment measuring, prototype called BikeBox was built and used during test drives. In addition, an online survey was held, which received answers from 97 cyclists. The survey queried about their cycling habits and preferences to better understand what kind of data they would be interested in.

The prototype included accelerometer for measuring road quality, photoresistor to identify poorly lit areas and GPS module for location and timestamps, which are needed for other measurements as well as finding possible stopping points and slow areas on the route.

Based on the test drives it is possible to identify quality changes on road surface as well as changes in lighting. Inaccurate GPS positioning does pose a challenge for pinpointing exact locations, though. Using location and timestamps it is possible to calculate the speed along different parts of the route, including areas which cause interruptions for the cyclists. This thesis presents results from 7 different example drives, though during testing phase more test driving was done. To get comprehensive coverage, crowdsourcing should be considered as the data gathering method. Based on the survey fastness and length of the route, amount of stops and interruptions and road condition are one of the most important factors for the cyclists. When queried what kind of information cyclists would like to receive, the road condition related factors were most commonly mentioned.

Kaupungistumisen seurauksena väkimäärät kaupungeissa kasvavat, mikä tuo mukanaan kasvavat liikennemäärät, ruuhkat ja liikennepäästöt. Älykkäät kaupungit ovat reaktio kaupungistumisesta seuraaviin haasteisiin. Älykkäät kaupungit pyrkivät seuraamaan ja kontrolloimaan kaupungin infrastruktuuria, apunaan esineiden internet. Esineiden internet mahdollistaa epäperinteisten laitteiden yhdistämisen maailmanlaajuiseen tietoverkkoon. Samaan aikaan pyöräilyn suosio on kasvanut ympäristöystävällisenä ja terveellisenä liikennemuotona. Jos pyöräilyn määrää halutaan jatkossakin kasvattaa, kaupungin infrastruktuurin täytyy tukea pyöräilyä vakavasti otettavana liikennemuotona. Jotta tämä voidaan saavuttaa, on pyöräilijöiden pyöräily-ympäristön ja pyöräilytapojen ymmärtäminen tärkeää.

Tässä työssä tutkitaan, onko pyöräily-ympäristöön vaikuttavia tekijöitä mahdollista mitata sensoreilla, joita ei ole istutettu polkupyörän runkoon. Runkoon upotettuja sensoreita haluttiin välttää, jotta mittauslaitteet voisivat olla mahdollisimman suuren joukon saatavilla, eikä pyöräilijä olisi sidottu käyttämään tietyn valmistajan polkupyörää. Lisäksi pyritään selvittämään, minkälaisesta pyöräily-ympäristöön liittyvästä datasta pyöräilijät olisivat kiinnostuneita. Tähän tarkoitukseen rakennettiin prototyyppi PyöräPurkista (BikeBox). Lisäksi toteutettiin internet-kysely, johon vastasi 97 polkupyöräilijää. Kyselyllä selvitettiin pyöräilijöiden pyöräilytapoja ja -mieltymyksiä ja sitä, millainen pyöräily-ympäristöstä kertova data kiinnostaisi heitä.

Prototyyppiin sisällytettiin kiihtyvyysanturi tien pinnan laadun mittaamiseen, valoanturi heikosti valaistujen alueiden tunnistamiseen ja GPS-moduuli, jolla saadaan sijantitieto ja kellonaika muita mittauksia varten. Lisäksi sijaintitiedosta ja kellonajasta voidaan laskea ajonopeus ja paikat, missä pyöräilijä on joutunut keskeyttämään ajonsa.

Testiajojen perusteella on mahdollista havaita tien pinnanlaadun muutos sekä muutos valaistusolosuhteissa. Epätarkkuudet GPS-paikannuksessa vaikeuttavat kuitenkin ongelmakohtien tarkkaa paikallistamista. Tämä työ käsittelee aiheita 7 erillisen testiajon kautta, vaikka testausvaiheessa ajettiinkin useampia testiajoja. Kattavien mittausten saamiseksi joukkoistamista kannattaisi harkita datankeräysmetodina. Tehdyn kyselyn perusteella reitin nopeus, pituus, reitillä olevien keskeytysten määrä ja tien kunto ovat tärkeimpiä reitin laatuun vaikuttavia tekijöitä. Erilaiset pyöräilyreitin kuntoon liittyvät asiat kiinnostivat eniten kun kysyttiin, minkälaista dataa pyöräilijät haluaisivat saada.