Creșterea progresivă a populației, industrializarea, globalizarea, concomitent cu despăduririle și defrișările practicate la nivel planetar au avut ca rezultat creșterea alarmantă a poluării, cu precădere în zonele urbane. Emisiile industriale, incendiile forestiere, traficul rutier, transportul, încălzirea locuinței și alte acțiuni umane locale sunt principalele surse de gaze toxice (ozon, O3, amoniac, NH3, oxizi de azot, NOx, hidrogen sulfurat, H2S, monoxid de carbon, CO, dioxid de sulf, SO2, metan, CH4, compuși organici volatili, COV), pulberi în suspensie (PM1, PM2,5, PM10), hidrocarburi aromatice policiclice, metale grele, aerosoli, praf în mediu. Pe site-ul Organizației Mondiale a Sănătății (OMS) este prezentată o estimare potrivit căreia circa 7 milioane de decese se înregistrează anual din cauze care pot fi atribuite efectelor poluării aerului din interior (3,8 milioane) și din exterior (4,2 milioane), iar 91% din populația lumii trăiește în locuri în care calitatea aerului depășește limitele impuse. Dacă reducerea poluării aerului poate salva milioane de vieți, monitorizarea calității aerului și alarmarea oamenilor atunci când sunt depășite anumite praguri este și ea salutară.
SmartAir City
Firma Syswin Solutions, care oferă soluții de înaltă performanță IoT & M2M ce integrează diferite tehnologii, protocoale de comunicație și senzori pentru a răspunde cerințelor de conectivitate pe care companiile și sectorul public le solicită, s-a implicat puternic în domeniul SmartCity, așa cum am prezentat și în numărul precedent al revistei.
De astă dată prezentăm o aplicație de monitorizare a mediului ambiant: SmartAir City este o soluție compactă, bazată pe senzori, independentă energetic, care furnizează parametrii critici în timp real, notificări și alerte despre nivelurile de poluare urbană. În acest sens, echipamentul este dotat cu mai mulți senzori pentru gaze, detectoare de particule materiale, senzor pentru zgomot.
Temperatura aerului și umiditatea relativă sunt și ele monitorizate pentru obținerea unui tablou mai complet al mediului citadin. Unitatea care controlează senzorii și transmite informațiile la distanță pentru prelucrare, stocare, analiză și editare este construită în jurul unui procesor pe 32 biți de tip RISC, ARM Cortex-M0+. Microcontrolerul preferat a fost cel de la Microchip Technology datorită suportului foarte eficient primit din partea distribuitorului.
Tehnologia de comunicație aleasă a fost LoRa/LoRaWAN, o tehnologie wireless robustă pentru un mediu atât de perturbant cum este cel urban. Modulul electronic este găzduit de un cabinet robust, grad de protecție IP65, astfel că el poate fi montat pe stâlpi sau fațadele clădirilor în aer liber. Datele măsurătorilor sunt transmise către un server, care poate fi atât cel al firmei aflat în București, cât și al unui terț. Datele sunt agregate, normate și afişate în timp real prin intermediul unei aplicaţii web securizate. Interfața de vizualizare a parametrilor prezintă, pe lângă informații generale legate de fiecare în parte, valorile în timp real pentru parametrii măsurați, precum și rapoarte privind istoricul măsurătorilor, configurabile în funcție de perioadă și parametru.
Prin intermediul unor API-uri, datele pot fi integrate în alte sisteme de monitorizare pentru corelarea analizelor (de exemplu, cu un sistem de monitorizare a traficului și semaforizare).
Compatibilitatea cu IoT este relevată de accesarea datelor de oriunde există o conexiune internet prin intermediul aplicației web. Sistemul poate transmite alerte la distanță prin intermediul serviciului de mesaje scurte, SMS.
Variante de echipare
Varianta de bază este dotată cu senzori pentru detectarea particulelor materiale PM1, PM2.5, PM10, măsurarea temperaturii și umidității relative a aerului și determinarea nivelului de concentrație a gazelor CO, CO2, NO, NO2. Varianta extinsă mai adaugă acestora gazele SO2, O3, NH3, precum și un senzor barometric și unul pentru determinarea nivelului de poluare fonică. Soluția Syswin Solutions este bazată pe o arhitectură deschisă, gama de parametri măsurați putând fi extinsă prin adăugarea de senzori specifici agentului poluant dorit a fi monitorizat de client. Varianta de precizie a sistemului include senzori pentru următoarele gaze: oxigen molecular, hidrogen molecular, hidrogen sulfurat, monoxid de azot, metan, formaldehidă, alcool, fosfină, oxid de etilenă, acid cianhidric, acid clorhidric, clor, dioxid de clor și compuși organici volatili. Sistemul permite și instalarea unor senzori pentru detectarea tipului de ploaie, inclusiv a acidității ei. Alimentarea cu energie se face de la o baterie reîncărcabilă controlat de la un panou fotovoltaic de 50W. Această soluție asigură funcționarea continuă, atât pentru controlul senzorilor, cât și pentru dispozitivul gateway pentru transmisia de date.
Între gazele menționate mai sus ca fiind toxice apare și dioxidul de carbon. După cum se știe, CO2 este un produs al respirației umane în organismul căruia îndeplinește funcții fiziologice importante fiind esențial pentru funcționarea hemoglobinei și este absorbit de plante pentru a-și produce glucoza. Totuși, dacă respirăm concentrații ridicate de dioxid de carbon sau re-respirăm aerul (cum ar fi într-o cameră neaerisită sau într-un cort), suntem în pericol de intoxicare sau chiar otrăvire cu dioxid de carbon. Cu toate acestea, Agenția americană pentru Protecția Mediului, US EPA, nu include dioxidul de carbon în lista celor șase poluanți obișnuiți în aer pe baza cărora se calculează Indexul Calității Aerului, AQI.
Pe de altă parte, CO2 este unul din principalele gaze cu efect de seră incriminate în schimbările climatice și a cărui concentrație în atmosfera Pământului a cunoscut o creștere considerabilă, de la 280ppm în 1750, la 406ppm la începutul anului 2017. Astfel, monitorizarea concentrației de CO2 devine necesară.
Nota 1: rezoluția conform datelor de catalog: 40ppm (în gama 0 … 20.000 ppm), 100ppm (în gama 20.000 … 50.000 ppm). Nota 2: nespecificată de producător.
Monitorizare permanentă
Detectarea permanentă a prezenței gazelor are câteva avantaje importante față de măsurarea periodică prin trimiterea de laboratoare mobile cu instrumentația necesară în diferite puncte din teren. Discontinuitatea observării, timpul de reacție foarte mare, imposibilitatea de a detecta momentul producerii unor evenimente critice din cauza unor avarii sau accidente, iar nu în ultimul rând, costurile mari implicate de deplasări, echipamente și manoperă sunt argumente în favoarea unei soluții de monitorizare permanentă de la distanță.
Pe de altă parte, stațiile fixe de observație, care sunt nesupravegheate și care pot fi plasate în zone izolate, nu trebuie să conțină instrumentație de laborator costisitoare, care să necesite activități frecvente de mentenanță.
Detecția rapidă urmată, dacă e cazul, de trimiterea unui expert pentru evaluare și măsurători de mare acuratețe, eventual pentru prelevare de probe, este o alternativă mult mai eficace. În acest context, au fost investigate ofertele pentru senzorii de gaze din perspectiva obținerii unui optim între performanță și preț. Exemplificăm aceasta prin tabelul de mai sus pentru dioxidul de carbon.
Acuratețea măsurătorilor este de același ordin de mărime pentru senzorii bazați pe principiul detecției nedispersive în infraroșu, Nondispersive Infrared, NDIR, dar neprecizată direct pentru senzorii electrochimici. Un parametru important, durata de viață a senzorului, nu este specificat decât de puțini producători, iar cei care o fac, impresionează. Dar, se știe că durata normală de viață a senzorilor electrochimici este, în funcție de tipul gazului, de la 12 -18 luni, până la 2 – 3 ani, în timp ce cea a senzorilor NDIR este mult mai mare. Totuși, alți parametri ne-au îndepărtat de senzorii cu durata de la 10 ani în sus. Astfel, deoarece va trebui ca senzorii să lucreze în mediul ambiant tot timpul anului, vor fi preferați cei care pot funcționa și la temperaturi sub 0°C. În România, în lunile decembrie – martie, s-au înregistrat în timp temperaturi sub minus 20°C. Temperaturile extreme pot afecta durata de viață a unui senzor.
Un alt criteriu important este modul de prezentare a datelor: recepționarea informației în format digital permite conectarea senzorului direct la microcontroler fără un bloc de conversie analog/digital. În concluzie, senzorul INIR-CD5% constituie un bun compromis calitate/preț. Senzorul a fost proiectat cu cea mai recentă tehnologie folosind un microcontroler cu un nucleu ARM7TDMI. Prin proiectarea software-ului au fost implementate tehnicile necesare pentru a spori fiabilitatea dispozitivului, reducând astfel probabilitatea de defecțiuni.
SmartAir City la lucru
Syswin Solutions a instalat o stație de monitorizare a parametrilor de calitate a aerului într-una dintre intersecțiile foarte circulate în cadrul proiectului pilot “Alba Iulia Smart City 2018”. Aceasta permite măsurarea celor mai importanți factori chimici de poluare urbană: amoniac (NH3), monoxid de carbon (CO), dioxid de azot (NO2), propan (C3H8); butan (C4H10); metan (CH4); hidrogen (H2); etanol (C2H5OH). Pe lângă acestea, mai sunt măsurate temperatura aerului şi umiditatea sa relativă.
După cum se ştie, în România reglementarea activităţilor în materie de calitatea aerului înconjurător este specificată de Legea Nr.104/2011 din 15 iunie 2011. Printre altele, documentul specifică atribuţii şi responsabilităţi pentru autorităţile publice centrale din toate domeniile care au impact asupra mediului sau care pot fi afectate de acesta (sănătate, agricultură, silvicultură, industrie, transporturi, comerţ, ş.a.), dar şi măsurile coercitive care pot fi luate în cazul depăşirii unor praguri ori neîndeplinirii unor sarcini. Poluanţii atmosferici luaţi în considerare în evaluarea calităţii aerului sunt specificaţi în lista de mai jos. Dacă în privinţa metodelor, echipamentelor, reţelelor şi laboratoarelor utilizate pentru monitorizarea calităţii aerului şi a metodelor, sistemelor şi echipamentelor pentru controlul şi măsurarea emisiilor, care sunt de competenţa Autorităţii publice centrale pentru protecţia mediului şi a Laboratorului Naţional de Referinţă pentru Calitatea Aerului, o societate titulară de activităţi nu poate emite pretenţii, în schimb ea poate avea un program de prevenire a situaţiilor de avarie.
Un sistem de monitorizare a parametrilor de calitate a aerului poate ajuta societatea să controleze activităţile şi procesele care pot produce poluare şi să detecteze eventuale probleme înainte ca acestea să devină critice şi să fie detectate de reţelele de supraveghere oficiale. Societăţile vor putea declanşa planuri de acţiune pe termen scurt constând din măsuri eficiente de control şi/sau chiar de suspendare temporară a activităţilor care contribuie la riscul depăşirii valorilor limită ori pragurilor de alertă.
De exemplu, planurile de acţiune pe termen scurt pot include măsuri referitoare la transportul rutier, ca redirecţionarea traficului de vehicule, modificarea timpilor de aşteptare la semafoare. De asemenea, societăţile titulari de activitate pot evita sancţiuni cu amendă de la 50.000 lei la 100.000 lei, pentru situaţii de neanunţare a autorităţii publice teritoriale pentru protecţia mediului despre producerea unor avarii, accidente, incidente, opriri/porniri accidentale.
Autori:
Adrian Zărnescu
Răzvan Ungurelu
Gaudenţiu Vărzaru
