Tutorial per il monitoraggio del PM2.5 con Arduino

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In un'epoca in cui la qualità dell'aria è diventata sempre più importante per la nostra salute e il nostro benessere, essere consapevoli dei livelli di inquinamento particellare è essenziale. Con l'avvento della tecnologia fai-da-te, ora è possibile creare un dispositivo di misura del PM2.5 (particolato sottile) per monitorare la qualità dell'aria all'interno della propria casa. In questo articolo, esploreremo come costruire un dispositivo di misura del PM2.5 e come può contribuire a mantenere un ambiente domestico più salutare. Creare un dispositivo di misura del PM2.5 fai-da-te è un modo efficace per monitorare e migliorare la qualità dell'aria all'interno della propria casa. Con l'uso di tecnologie accessibili e componenti facilmente reperibili, è possibile creare un dispositivo efficiente e utile per proteggere la salute e il benessere della famiglia. Il sensore di particelle viene collocato in un'area della casa dove si desidera monitorare la qualità dell'aria. Il sensore rileva le particelle sospese nell'aria e invia i dati al microcontrollore, che li elabora e li visualizza sul display OLED. Gli utenti possono quindi monitorare i livelli di PM2.5 e prendere eventuali misure correttive per migliorare la qualità dell'aria domestica.

Introduzione

La salute pubblica è fortemente influenzata dai livelli di PM2.5 nell'aria. In molte città del mondo, i livelli di queste particelle superano regolarmente i limiti raccomandati dall'Organizzazione Mondiale della Sanità, esponendo milioni di persone a gravi rischi per la salute. Le persone più vulnerabili, come i bambini, gli anziani e coloro che soffrono già di malattie respiratorie, sono particolarmente a rischio. Inoltre, i livelli elevati di PM2.5 hanno anche un impatto significativo sull'ambiente. Queste particelle possono influenzare la visibilità, causare piogge acide e danneggiare gli ecosistemi terrestri e acquatici. Inoltre, possono depositarsi sulle superfici, danneggiando le strutture e riducendo la qualità dei materiali.

Il mantenimento dei valori di PM2.5, ossia le particelle sottili presenti nell'aria con un diametro inferiore a 2.5 micrometri, è di vitale importanza per la salute umana e l'ambiente. Queste particelle sono così piccole da poter penetrare profondamente nei polmoni e persino nella circolazione sanguigna quando respirate, causando una serie di problemi di salute, tra cui malattie cardiovascolari, respiratorie e persino il cancro. La riduzione dei livelli di PM2.5 è cruciale per garantire una migliore qualità dell'aria.

In questo articolo, realizzeremo passo dopo passo uno strumento di misura del PM2.5 adoperando Arduino e pochi altri componenti.

Materiale occorrente

La dotazione hardware per questo progetto è data dalla seguente lista:

Arduino MKR Wi-Fi 1010. In alternativa, potete utilizzare anche modelli diversi in funzione delle vostre esigenze e del risultato finale che desiderate ottenere.
Sensore di particelle: utilizzeremo il sensore di particelle GP2Y1014AU prodotto dalla SHARP/Socle Technology, un oggetto abbastanza economico che può essere acquistato anche su Amazon o tramite i diversi cataloghi elettronici online come Mouser
Display oled 128x32 I2C
Una resistenza da 150Ohm
Un condensatore da 220uF 16V

In alcuni casi la resistenza e il condensatore li ritroverete direttamente all'interno del kit del sensore che prevede anche il cavetto già precablato per connettersi all'interfaccia a 6 pin del sensore stesso.

La scheda Arduino MKR Wi-Fi 1010 (vedi Figura 1) integra l’interconnessione Wi-Fi e Bluetooth concepita per lo sviluppo di progetti di Internet of Things in maniera semplice ed immediata. La scheda è dotata di un Arm Cortex-M0 che si interfaccia con un chipset per le comunicazioni wireless. Le caratteristiche tecniche complete della scheda sono:

Microcontroller SAMD21 Cortex®-M0+ 32bit low power ARM MCU
Modulo radio u-blox NINA-W102
Alimentazione (USB/VIN) 5 V
Tensione operativa 3.3 V
Secure Element ATECC508
Digital I/O Pins 8
PWM Pins 13 (0..8, 10, 12, 18/A3, 19/A4)
Comunicazioni: UART, SPI, I2C
Analog Input Pins 7 (ADC 8/10/12 bit)
Analog Output Pins 1 (DAC 10 bit)
CPU Flash Memory 256 kB (internal)
SRAM 32 kB
USB Full-Speed USB Device and embedded Host
Dimensioni fisiche: 61.5 mm x 255 mm/peso 32 g

Figura 1: Scheda Arduino MKR WiFi 1010 utilizzata per il progetto

Il sensore GP2Y1014AU

Il progetto si basa sull'acquisizione delle informazioni dal sensore GP2Y1014AU tramite la stimolazione del sensore e la lettura del valore analogico. A valle dell'elaborazione dei segnali acquisiti poi effettueremo la visualizzazione dei risultati sul display OLED collegato sul bus I2C. Tuttavia, prima di passare alla pratica introduciamo alcuni cenni teorici fondamentali per il progetto.

Cos'è il PM2.5: Il PM2.5 si riferisce alle particelle sospese nell'aria con un diametro inferiore a 2,5 micron, che possono penetrare profondamente nei polmoni e causare danni alla salute. Queste particelle possono essere originate da fonti come il traffico veicolare, l'industria, il fumo di sigaretta e la combustione di combustibili fossili. Monitorare i livelli di PM2.5 all'interno della propria casa può aiutare a identificare e ridurre l'esposizione a queste particelle dannose. L’OMS ha aggiornato di recente le indicazioni di limiti di massima tollerabili all'interno della propria abitazione con i seguenti valori:

una media annua di 5 µg/m3
una media giornaliera (24 ore) di 15 µg/m3

Passiamo ora ad introdurre le caratteristiche del sensore SHARP GP2Y1014AU (vedi Figura 2) che andremo ad utilizzare. Le principali caratteristiche sono:

Alimentazione 5Vcc
Connettore 6 Pin
Temperatura operativa da -10°C a +65 °C
Dimensioni 46mm x 34mm x 17.6mm
Sensibilità 0.5V per ogni 100ug/m3
Offset Output voltage senza polveri 0.6V tipico

Figura 2: Sensore SHARP GP2Y1014AU con indicazione del pinout

Il diagramma a blocchi interno del sensore SHARP GP2Y1014AU è riportato in Figura 3 e notiamo al suo interno:

circuito di stimolazione basato su LED
circuito di rilevamento con un'uscita Vo proporzionale alla presenza di polveri e fumi e circuiti di condizionamento con possibilità di effettuare una calibrazione

Dunque, il principio di funzionamento del sensore della SHARP si basa sulla rilevazione della particelle valutando quanta luce passa attraverso il punto di sensing. Quante maggiori particelle ci saranno, meno luce sarà in grado di passare. Tuttavia, il segnale che andremo ad acquisire lavora al contrario, probabilmente a seguito di una variazione all'interno del blocco di condizionamento del segnale dentro al sensore. Infatti, noi misureremo un segnale in tensione proporzionale alla quantità di PM2.5.

Figura 3: Diagramma a blocchi del sensore SHARP GP2Y1014AU

Progetto

Il progetto si basa sull'acquisizione delle informazioni dal sensore tramite il pin di ingresso analogico A1 e, a valle dell'elaborazione dei segnali, la visualizzazione dei risultati sul display OLED collegato sul bus I2C. Per il corretto funzionamento sarà necessario stimolare in modo opportuno il LED del sensore di polveri e fumi.

Cercando tra le librerie è possibile trovare già librerie create per gestire i sensori SHARP GP2Y* (ad esempio la libreria "Sharp GP2Y* Dust Sensor library by Lucian Sabo"), tuttavia il controllo di questo sensore è davvero semplice ed immediato per cui non utilizzeremo alcuna libreria specifica. Aggiungerò al progetto solo la libreria per il controllo del display OLED. Dunque, andremo ad usare queste librerie includendo i seguenti file:

[...]

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