“Lascia che sia respiro
finché tu ci sei
il mio saluto al giorno
per non lasciarsi andare mai.“
(Franco Simone)
La Seconda colonizzazione terrestre avvenne quando il livello di ossigeno nell’aria crebbe.
Con il termine catastrofe dell’ossigeno ci si riferisce alla grande estinzione di massa delle primitive forme di vita anaerobica della Terra causata dall’accumulo di letale ossigeno nell’atmosfera terrestre. Questo importante evento, noto anche come Crisi dell’Ossigeno, Grande Ossidazione o Grande Evento Ossidativo, avvenne circa 2.450 milioni di anni fa all’inizio del Sideriano, il primo periodo del Proterozoico. Gli organismi eucarioti, in grado di utilizzare al meglio l’energia sintetizzata, presero il posto dei procarioti. Il colore delle alghe virò dal rosso e azzurro al verde, ed il ritirarsi delle acque le vide adattarsi al terreno asciutto.
Da allora, e contrariamente alla maggioranza dei pianeti del nostro sistema solare, basati su anidride carbonica o metano, la Terra è un pianeta con atmosfera in cui l’Ossigeno è la componente più importante dal punto di vista qualitativo (mentre l’Azoto lo è dal punto di vista quantitativo). Purtroppo, però, l’ossigeno nell’aria può venire contaminato.
Particulate Matter (PM): Cos’è e come raggiunge l’aria che respiriamo
Per comprendere termini come pollution o contaminazione dell’aria, occorre studiare le particelle ad essa relative, note con il termine inglese particulate matter. Si parla in genere di PM2.5 e PM10. Vediamo di cosa si tratta.
Con PM si intende una miscela di particelle solide e microgoccioline presenti nell’aria. Alcune particelle, come polvere, sporcizia, fuliggine o fumo, sono sufficientemente massicce o oscure da essere percepite a occhio nudo. Altre, tuttavia, sono talmente minuscole da poter essere viste solo con il microscopio elettronico.
Le particelle sono distribuite in misure molto diverse tra loro. Particelle con misure sino a 10 micrometri (micron) di diametro sono talmente piccole da poter penetrare nei polmoni e causare problemi di salute seri. Dieci micrometri è una misura inferiore allo spessore di un singolo capello umano.
Il particolato in questione include:
- Particelle di polvere (PM10): particelle inalabili, con diametri uguali o inferiori ai 10 micrometri. Prodotte in genere da operazioni di frantumazione o macinazione, o polvere raccolta dai veicoli sulle strade,
- Polveri sottili (PM2.5) : particelle inalabili impalpabili, con diametri intorno ai 2.5 micrometri o meno. Le polveri sottili sono prodotte da tutti i tipi di combustione, inclusa la combustione interna dei veicoli a motore, centrali elettriche, combustione della legna, sia ad uso domestico residenziale che prodotta da incendi forerstali, combustioni agricole ed alcuni processi industriali.
Pericolosità dei microparticolati
Con il controllo della qualità dell’aria è possibile raccogliere informazioni immediatamente utili in campo medico e sociale.
Le particelle meno leggere, di circa 5 μm, vengono filtrate dall’azione combinata delle cilia e dalla mucosa che ricopre la cavità nasale e la trachea. Particelle con un diametro tra 0.5 e 5 μm possono depositarsi nei bronchi e persino negli alveoli polmonari, ma vengono anch’esse eliminate dopo poche ore dall’azione delle cellule ciliate di bronchi e bronchioli. Ma le particelle di diametro inferiore a 0.5 μm possono penetrare più a fondo nel sistema respiratorio, depositandosi negli alveoli polmonarti ed ivi restando per mesi o anni, sin quando si esaurisca ogni meccanismo di trasporto mucociliare che ne faciliti l’eliminazione.
Per tale ragione, risulta molto importante riuscire ad cvidenziare i diversi tipi di particolato (PM2.5 e PM10). Fortunatamente, entrambe le famiglie sono facilmente ricoloscibili grazie ad un sensore semplice e a buon mercato, il sensore SDS011.
Il sensore di particolato — SDS011
Il controllo della qualità dell’aria è un sistema scientifico piuttosto noto, nato intorno agli anni Ottanta del secolo scorso. Allora la tecnologia di riscontro era piuttosto antiquata, e le soluzioni utilizzate per quantificare il complesso di polluzione dell’aria erano complesse e piuttosto costose.
Oggi, al contrario, con le tecnologie moderne, le soluzioni per il monitoraggio della qualità dell’aria sono diventate non solo più precise, ma anche più rapide da misurare. Inoltre la grandezza dei sensori tende a diminuire come il loro prezzo di vendita.
Nell’articolo parleremo di un sensore in grado di riconoscere la quantità di polvere nell’aria. Mentre la prima generazione di devices era semplicemente in grado di valutare il livello di opacità, I sensori più recenti, come il nostro SDS011 prodotto da INOVAFIT, una spin-off dell’University of Jinan (in Shandong), è in grado oggi di riconoscere tanto PM2.5 quanto PM10.
A causa delle sue ridotte dimensioni, il sensore SDS011 risulta probabilmente uno dei migliori sensori in termini di accuratezza e prezzo (inferiore ai 25.00 euro).
Caratteristiche
- Valori misurati: PM2.5, PM10
- Range: 0–999.9 μg /m³
- Tensione di alimentazione: 5V (4.7–5.3V)
- Consumo di energia (work): 70mA±10mA
- Consumo di energia (sleep mode laser & fan): < 4mA
- Temperatura di stoccaggio: -20 to +60C
- Temperatura di lavoro: -10 to +50C
- Umidità (stoccaggio): Max. 90%
- Umidità (lavoro): Max. 70% (la condensa d’acqua tende a modificare le letture)
- Precisione: 70% for 0.3μm and 98% for 0.5μm
- Misure: 71x70x23 mm
- Certificazioni: CE, FCC, RoHS
Il sensore SDS011 utilizza il PCB come sezione di inscatolamento, consentendo così di diminuire i costi. Il diodo ricettore è montato sul lato del PCB (scelta obbligata, dal momento che qualsiasi disturbo tra diodo e LNA dev’essere evitato). L’emettitore laser è montato nella scatola di plastica e colelgato al PCB attraverso iun cavo flessibile.
In breve, il sistema SDS011 è un laser dust sensor professionale. La ventola montata sul sensore risucchia l’aria da esaminare. Il sensore utilizza il principio laser light scattering per misurare le specifiche delle particelle di polvere in sospensione nell’aria. Il sensore è in grado di garantire una elevata precisione, e letture corrette per valori relativi sia a PM2.5 che a PM10. Le modifiche ambientali vengono registrate quasi istantaneamente, e comunque in tempi inferiori a 10 secondi. In modalità standard, il sensore effettua letture ad intervalli di un secondo.
Come funziona?
Il sistema di cui parliamo è stato creato e testato da Marcelo, MJRoBot e utilizzato per l’analisi delle caratteristiche dell’aria in Cile.
Le connessioni con l’hardware sono molto semplici. Il sensore viene venduto con un adattatore USB per interfaccairsi con i dati in output dalla propria UART a 7 pin ad uno dei connettori USB standard del RPI.
SDS011 pinout:
- Pin 1 — not connected
- Pin 2 — PM2.5: 0–999μg/m³; PWM output
- Pin 3 – 5V
- Pin 4 — PM10: 0–999 μg/m³; PWM output
- Pin 5 — GND
- Pin 6 — RX UART (TTL) 3.3V
- Pin 7 — TX UART (TTL) 3.3V
Per l’articolo sul controllo della qualità dell’aria è stato utilizzato il nuovo Raspberry Pi 4, ma il progetto funziona altrettanto bene con un Raspy delle generazioni precedenti.
Non appena il sensore viene collegato ad una delle porte USB del PI, la ventola inizierà a farsi sentire. Il rumore può risultare un po’ seccante, quindi si suggerisce di procedere all’installazione del software prima di tutto.
La comunicazione tra sensore ed RPI avviene attraverso un protocollo seriale. Le specifiche del protocollo sono disponibili su Laser Dust Sensor Control Protocol V1.3.
Per quersto progetto, è opportuno utilizzare una interfaccia Python che semplifichi il codice da sviluppare. Sarà possibile creare la propria interfaccia o utilizzarne di disponibili su Inrenet, come quelle di Frank Heuer o Ivan Kalchev. Marcelo ha utilizzato quest’ultima (lo script sds011.py è scaricabile da GitHub).
Il sistema di controllo della qualità dell’aria, come detto, risponde immediatamente, e consente di catturare informazioni e presentarle tabulate o su grafici. Ovviamente lo step successivo potrebbe essere rappresentato dall’utilizzo di una infrastruttura IoT si cloud per centralizzare la raccolta delle informazioni provenienti da più siti (immagino un sistema di monitoraggio cittadino gestito da comuni o università). Ad esempio ThingSpeak.com, utilizzata nell’articolo di Marcelo.
ThingSpeak è una applicazione Internet of Things (IoT) per conservare e raggiungere informazioni dagli oggetti things, attraverso API REST e MQTT. ThingSpeak consente la creazione di applicazioni dedite al sensor logging, applicazioni per il location tracking, e in genere rappresenta una social network of things con aggiornamenti di stato.
Per prima cosa, occorre avere un account su ThinkSpeak.com. Quindi seguire le istruzioni per creare un Channel, utilizzando Channel ID e Write API Key.
Nella creazione di un canale occorre anche definirequali informazioni verranno inviate a ciascuno degli 8 campi disponibili. Nel caso particolare, saranno utilizzati solo quattro campi.
Conclusioni
L’articolo sul controllo della qualità dell’aria si conclude qui.
Si è scelto di predisporre l’articolo come vetrina, o come How-to, senza scendere nei particolari tecnici della descrizione del software. Ciò che si è voluto mostrare è il modo di procedere nella preparazione di un esperimento o progetto:
- Definizione dell’oggetto
- Acquisizione delle informazioni necessarie
- Descrizione dei dati utili al progetto
- Ricerca dell’hardware in grado di coniugare i punti precedenti
- Predisposizione di una piattaforma hardware e descrizione delle connessioni
- Predisposizione di una piattaforma software e descrizione dei flussi informativi
- Creazione di un prototipo funzionante
- Aggiunta delle funzioni per l’estrazione e la fruizione delle informazioni dai dati grezzi
- Estensione del progetto (interconnessione/wifi/cloud/web)
Troppi sperimentatori partono dal punto 5, o si ritrovano privi delle librerie softweare necessarie per approfondire il progetto a metà strada. In questo campo il paradigma del “Prima compro, poi vedo cosa farci” è particolarmente dannoso, in quanto tende ad indebolire il focus della ricerca a favore di una sperimentazione senza capo né coda, e per ciò stesso inutile.
Cercheremo di condurre per mano gli sperimentatori in erba attraverso la realizzazione di progetti semplici, garantendo nel contempo tutto l’appoggio necessario per estendere le proprie ricerche.
Link utili:
Luigi_Morelli
Definire ciò che si è non risulta mai semplice o intuitivo, in specie quando nella vita si cerca costantemente di migliorarsi, di crescere tanto professionalmente quanto emotivamente. Lavoro per contribuire al mutamento dei settori cardine della computer science e per offrire sintesi ragionate e consulenza ad aziende e pubblicazioni ICT, ma anche perche’ ciò che riesco a portare a termine mi dà soddisfazione, piacere. Così come mi piace suonare (sax, tastiere, chitarra), cantare, scrivere (ho pubblicato 350 articoli scientfici e 3 libri sinora, ma non ho concluso ciò che ho da dire), leggere, Adoro la matematica, la logica, la filosofia, la scienza e la tecnologia, ed inseguo quel concetto di homo novus rinascimentale, cercando di completare quelle sezioni della mia vita che ancora appaiono poco ricche.