1, Introduzione 2
1, Introduzione 3
1 INTRODUZIONE ... 5
2 GAS INQUINANTI E INDICE QUALITÀ DELL’ARIA ... 8
MONOSSIDO DI CARBONIO (CO) ... 9
2.1 BIOSSIDO DI AZOTO (NO2) ... 11
2.2 OZONO (O3) ... 14
2.3 INDICE DELLA QUALITÀ DELL’ARIA (AQI) ... 16
2.4 2.4.1 COME FUNZIONA L’IQA? ... 17
2.4.2 COME LEGGERE L’IQA ... 19
3 STATO DELL’ARTE ... 21
THE CITISENSE AIR QUALITY MONITORING MOBILE SENSOR NODE ... 23
3.1 PEIR, PERSONAL ENVIRONMENTAL IMPACT REPORT ... 24
3.2 SMART SANTANDER ... 25
3.3 AIR QUALITY EGG ... 28
3.4 CONCLUSIONI ... 29
3.5 4 ARCHITETTURA DEL SISTEMA ... 31
PROGETTO SMARTY ... 32
4.1 ARCHITETTURA GENERALE DEL SISTEMA ... 34
4.2 CAMPIONAMENTO DATI ... 36
4.3 FASE DI TRASFERIMENTO DATI ... 37
4.4 PROTOCOLLI OPPORTUNISTICI E RACCOLTA DATI ... 38
4.5 ARCHITETTURA SOA ... 38 4.6 4.6.1 SERVIZI ESPOSTI ... 41 4.6.2 GESTIONE SERVER ... 41 4.6.3 EJB ... 42 4.6.4 DATABASE ... 43 4.6.5 POSTGIS ... 46 5 IMPLEMENTAZIONE ... 48 MICROCONTROLLORE ... 48 5.1 5.1.1 CARATTERISTICHE TECNICHE ... 50 5.1.2 CONSUMO ENERGETICO ... 50 5.1.3 GAS SENSOR BOARD ... 51
1, Introduzione 4
SENSORI ... 53
5.2 5.2.1 SENSORE DI UMIDITÀ –808H5V5 ... 54
5.2.2 SENSORE DI TEMPERATURA (T)–MCP9700A ... 56
5.2.3 SENSORE DI MONOSSIDO DI CARBONIO (CO)–TGS2442 ... 57
5.2.4 SENSORE DI ANIDRIDE CARBONICA (CO2)–TGS4161 ... 59
5.2.5 SENSORE DI OZONO (O3)–MICS-2610 ... 60
5.2.6 SENSORE DI OZONO (NO2)–MICS-2710 ... 62
5.2.7 SENSORE DI VOC–MICS-5521 ... 63
5.2.8 FASE DI CALIBRAZIONE DEI SENSORI ... 64
SVILUPPO DEL SOFTWARE ... 71
5.3 5.3.1 MICROCONTROLLORE ... 71
5.3.2 MAIN ... 72
PRESENTAZIONE DEI DATI ALL'UTENTE ... 79
5.4 5.4.1 INTERFACCIA MOBILE ... 79
5.4.2 SITO WEB ... 83
6 DATI SPERIMENTALI ... 90
DEFINIZIONE DELLE ZONE DI INSTALLAZIONE ... 91
6.1 GRAFICI RELATIVI AL MONOSSIDO DI CARBONIO CO ... 96
6.2 GRAFICI RELATIVI ALL’ANIDRIDE CARBONICA (CO2) ... 98
6.3 GRAFICI RELATIVI AL DIOSSIDO DI AZOTO (NO2) ... 99
6.4 GRAFICI RELATIVI ALL’OZONO (O3) ... 100
6.5 GRAFICI RELATIVI ALL’ IQA ... 101
6.6 7 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI ... 105
8 BIBLIOGRAFIA ... 106
APPENDICE I ... 111
APPENDICE II ... 126
1, Introduzione 5
1 Introduzione
L’impatto dell’attività umana sulla qualità dell’aria è spesso invisibile e trascurato, orami siamo talmente abituati a vivere nelle grandi città, in mezzo al traffico e agli scarichi, che in pochi si preoccupano di quali possano essere le conseguenze di questa prolungata esposizione che avanza per anni. In generale, qualcosa nelle società i sta muovendo, orientandosi sempre di più verso la diffusione di auto elettriche e di veicoli ad emissioni zero, l’utilizzo di mezzi di mobilità alternativi quali car-sharing car-pooling, bike-sharing, la spinta verso l’uso di mezzi pubblici e qualsiasi altra soluzione che possa ridurre in qualche modo le emissioni in città ma prima che la situazione che posa cambiare veramente ci vorrà del tempo. Nel frattempo quello che un cittadino può fare è prendere precauzione per se stesso in piccola scala ed essere cosciente dei rischi a cui si sottopone ogni giorno.
L’attività svolta in questa tesi consiste nella realizzazione del progetto U-SENSE un sistema di monitoraggio urbano cooperativo che coinvolge i cittadini nel processo di acquisizione dati sull’inquinamento ambientale nei posti in cui essi vivono, lavorano e passano il oro tempo libero. Tutti i dati sono disponibili ONLINE in tempo reale per offrire agli utenti dei servizi che permettono loro di compiere scelte coscienti nell’esposizione agli inquinanti nel corso del giorno e di muoversi per la città evitando quelle zone dove i valori rilevati sono considerati dannosi per la salute.
1, Introduzione 6
Questa attività si inquadra in un settore di ricerca emergente che va sotto il nome di SMART-CITIES, città intelligenti.
Per SMART-CITIES si intende un ambiente urbano capace di agire in maniera attiva ed indispensabile per migliorare la qualità della vita dei cittadini, concentrandosi su quelli che sono i bisogni principale per l’uomo e cercano di rendere la città eco-sostenibile e più pulita, riducendo l’inquinamento con opportune pianificazioni urbanistiche e dei trasporti. Ma una SMART-CITY non è solo questo; è anche un posto dove molti servizi quali parcheggi, car-sharing, bike-car-sharing, gestione del traffico, gestione dei rifiuti, delle illuminazioni, e sene potrebbero elencare molti altri, sono automatizzati, e un normale utente può collegarsi e visualizzare in tempo reale la situazione relativa ad uno degli aspetti sopra elencati, evitando così quelle zone dove ad esempio c’è un ingorgo o prenotando un parcheggio in modo da non dover perdere tempo a cercarlo una volta arrivato a destinazione.
U-sense è un sistema di
monitoraggio urbano
cooperativo che fa parte di un progetto più vasto che si propone di realizzare una piattaforma ICT di servizi innovativi di mobilità. L’ idea base di U-Sense è quella di coinvolgere i cittadini nelle operazioni di raccolta dei dati, dando loro la possibilità di acquistare uno o più sensori da collocare in luoghi di proprio interesse, non raggiungibili dalla rete privata, quali il giardino ed il balcone della propria abitazione.
1, Introduzione 7
Questo si basa sulla considerazione che l’utente medio potrebbe non essere tanto interessato al livello di inquinamento presso un incrocio o un punto della città ma, al contrario, troverebbe molto più interessante conoscere la qualità dell’aria in un luogo che lo riguarda in prima persona, come il proprio giardino o la strada dove abita.
Obiettivo finale è quello di venire a creare una specie di sociale network, dove l’utente può condividere in propria persona le informazioni di cui dispone e descrivere le situazioni in cui si viene a trovare per migliorare i servizi già presenti, ad esempio notificare la presenza di un ingorgo in un certo punto della città ed evitare così che altre persone vi rimangano bloccate contribuendo ad un incremento di emissioni inquinanti nella zona.
Il sistema è costituito nodi sensori dislocati per la città e da sensori privati di proprietà degli utenti che decidono di partecipare.
Vi è poi un’infrastruttura che consente di far prevenire prima possibile i dati raccolti dai sensori ad un centro di elaborazione, che li rende disponibili on-line offrendo servizi quali la ricerca del percorso meno inquinato in tempo reale il rilevamento di un eccessiva presenza di agenti inquinanti in zone critiche quali parchi, scuole, o la semplice visualizzazione, vengono poi resti pubblici anche WEB SERVICE per applicazioni di business.
2, GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 8
2 GAS Inquinanti e indice qualità dell’aria
l primo passo nel definire l'inquinamento atmosferico è chiarire il confine tra sostanze inquinanti e non inquinanti; nel 1973, Williamson ha proposto una distinzione tra inquinante e contaminante: un contaminante è "ogni cosa che viene aggiunta all'ambiente che causa una deviazione dalla composizione geochimica media"; l'inquinante, per essere considerato tale, deve essere un contaminante responsabile di causare effetti nocivi all'ambiente, inteso in senso lato come unione delle parti naturale ed antropica.
I fenomeni di inquinamento sono il risultato di una complessa competizione tra fattori che portano ad un accumulo degli inquinanti ed altri che invece determinano la loro rimozione e la loro diluizione in atmosfera. L'entità e le modalità di emissione (sorgenti puntiformi, diffuse, altezza di emissione, ecc.), i tempi di persistenza degli inquinanti, il grado di mescolamento dell'aria, sono alcuni dei principali fattori che producono variazioni spazio-temporali della composizione dell'aria.
Questo è uno dei problemi maggiormente sentiti dalle popolazioni dei grandi agglomerati urbani, di cui ci si è iniziati a preoccupare solamente negli ultimi 30 anni. Dagli settanta infatti sono state, in alcuni paesi, via via attuate delle politiche per la riduzione degli agenti chimici e di numerose altre sostanze contaminanti presenti nell'aria. Queste azioni per una maggior salvaguardia dell'ambiente hanno dato dei risultati per l'abbassamento delle concentrazioni di alcuni inquinanti come ad esempio il biossido di zolfo, il piombo e il monossido
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 9
di carbonio; per altri come ad esempio il biossido di azoto, l'ozono e il particolato atmosferico non hanno portato i risultati sperati, agenti per i quali si è scoperto più recentemente la loro criticità per quanto riguarda la salute.
Monossido di Carbonio (CO)
2.1
Caratteristiche: gas tossico, incolore e inodore. Questo gas si forma
prevalentemente durante la combustione di idrocarburi o in generale di sostanze organiche in condizioni di carenza di ossigeno. Esso ha un lungo tempo di persistenza nell'aria. Le fonti di rimozione del CO sono l'ossidazione nell'aria a CO2 e l'assorbimento da parte delle piante.
Fondo naturale: nell'aria pulita è presente in un intervallo di concentrazione
che va da 0.01 a 0.20 ppm (corrispondenti a 0.0115 mg/m3 e 0.23 mg/m3).
Effetti sulla salute: se respiriamo aria contenente il gas CO abbiamo
produzione della carbossiemoglobina nel sangue. Quando la proporzione di carbossiemoglobina rispetto all’emoglobina è alta il sangue non riesce più a svolgere quella che è la sua funzione principale: il trasporto di ossigeno ai tessuti. Gli effetti dannosi della esposizione al CO sono quindi da imputare a una carenza di ossigeno nel sangue. Molte malattie cardiache/polmonari sono aggravate da una esposizione al gas CO. Una esposizione a concentrazioni dell'ordine di 2000 ppm (2300 mg/m3) per 15 minuti è mortale. Una esposizione
prolungata per diverse ore a concentrazioni dell'ordine di 50-100 ppm (57-115 mg/m3) causa vertigine, cefalea e indebolimento generale ma non è mortale. Una
esposizione prolungata per diverse ore a concentrazioni dell'ordine di 10-30 ppm (11-34 mg/m3) causa allungamento dei tempi di reazione e difficoltà a svolgere
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 10
seguenti valori guida da non superare: 100 mg/m3 come media su 15 min; 60
mg/m3 come media su 30 min; 30 mg/m3 come media su 1 ora; 10 mg/m3 come
media su 8 ore. Gli effetti nocivi del monossido di carbonio sono amplificati nei fumatori.
Fonti di emissione: Tutte le combustioni di sostanze organiche producono
CO. In città le maggiori fonti sono date dalle emissioni dei veicoli a motore endotermico (in particolare gli autoveicoli non catalizzati e i veicoli con motore 2 tempi). Si rilevano valori altissimi di CO anche nelle abitazioni laddove vi siano fumatori e/o cucine a gas senza un camino che porti all’esterno i fumi prodotti durante la cottura dei cibi.
Limiti di legge:
per la qualità dell'aria viene usato il valore limite di 10 mg/m3 da non
superare come media su 8 ore e di 40 mg/m3 come media di 1 ora (DPCM
28.3.1983).
Il DMA 25.11.94, che trova applicazione nelle aree urbane in cui è presente un'adeguata rete di monitoraggio, ha fissato i limiti di 15 mg/m3 come livello di
attenzione e 30 mg/m3 come livello di allarme da non superare come media
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 11
Biossido di Azoto (NO
2)
2.2
Caratteristiche: gas di colore rosso-bruno, di odore pungente e soffocante,
altamente tossico e forte ossidante. Contribuisce alla formazione dello smog fotochimico. Insieme all'anidride solforosa contribuisce alla formazione delle piogge acide che danneggiano boschi e monumenti. Il gas NO2 è un corrosivo per
i metalli e le fibre tessili. Il colore nerastro della cappa di smog presente sopra le aree inquinate, che si può ben vedere guardando dall'alto e da lontano, è dato anche dal biossido di azoto oltre che dalle polveri. Per la precisione il gas NO2 contribuisce con una componente rosso-bruna al colore della cappa di smog. Fondo naturale: nell'aria pulita è presente a concentrazioni che vanno da
0.0002 ppm a 0.005 ppm (da 0.38 a 9.4 mg/m3). La soglia olfattiva è tra
200 mg/m3 e 410 mg/m3 (si deve però tenere presente che si produce subito
assuefazione e dopo poco l'odore di NO2 non viene più avvertito anche se è
presente alla stessa concentrazione).
Fonti di emissione: Qualunque tipo di combustione o fiamma che avvenga in
presenza di aria produce varie forme di ossidi di azoto (principalmente NO ma anche NO2 e N2O) a causa della reazione dell'azoto (N2) con l'ossigeno (O2)
contenuti nell'aria stessa. Successivamente alla combustione continua a formarsi NO2 grazie alla ossidazione di NO nell’atmosfera. E’ importante quindi
sottolineare che nell'ambiente di una cucina con fornelli a gas senza un sistema di aspirazione dei gas combusti si può raggiungere valori di concentrazione di NO2 più alti di quelli che possiamo trovare sulle strade ad alta densità di
traffico (durante la cottura si raggiungono da 470 a 1880 mg/m3 !). Il fumo di
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 12
degli ossidi di azoto nell'aria è molto breve: circa 3 giorni per l'NO2 e 4 per
l'NO.
Effetti sulla salute: come il CO anche NO2 agisce sull'emoglobina, infatti
questo gas ossida il ferro dell'emoglobina producendo metaemoglobina che non è più in grado di trasportare ossigeno. Una esposizione a concentrazioni dell'ordine di 500 ppm (950.000 mg/m3) per pochi minuti è mortale. Una
esposizione a concentrazioni dell'ordine di 10-40 ppm (19.000-76.000 mg/m3) per
pochi minuti può causare fibrosi ed enfisema polmonare. Esposizioni continuative a concentrazioni dell'ordine di 1000 mg/m3 aumentano la
probabilità di contrarre infezioni polmonari ed esasperano i sintomi dei soggetti asmatici. L'Organizzazione Mondiale della Sanità fissa i seguenti valori guida da non superare: 200 mg/m3 come media su 1 ora; 40 mg/m3 come media annuale. Limiti di legge:
Il valore guida da non superare è 50 mg/m3 come 50° percentile delle medie
orarie rilevate durante l'anno (dal 1 gennaio al 31 dicembre) e 135 mg/m3 come 98° percentile delle medie orarie rilevate durante l'anno
(DPR 203/88).
Il valore limite da non superare è 200 mg/m3 come 98° percentile delle medie
orarie rilevate durante l'anno (DPR 203/88).
Il DMA 25.11.94, che trova applicazione nelle aree urbane in cui è presente un'adeguata rete di monitoraggio, ha fissato il livello di attenzione al valore pari a 200 mg/m3 come media oraria e il livello di allarme pari a 400 mg/m3 sempre
come media oraria. La direttiva 1999/30/CE dell’Unione Europea impone il valore limite orario di 200 mg/m3 da non superare più di 18 volte in un anno e il
valore limite da non superare di 40 mg/m3 come media annuale. Questi limiti
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 13
applicati in modo progressivo a partire dai limiti vigenti in ogni nazione dell’Unione Europea in modo tale che lo scarto vada progressivamente diminuendo fino ad azzerarsi nel 2010.
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 14
Ozono (O3)
2.3
Caratteristiche: gas incolore, dall'odore pungente, fortissimo ossidante (l'odore
dell'ozono è quello che si avverte per esempio in vicinanza di scariche elettriche e viene prodotto a partire dall’ossigeno).
Fondo naturale: molto variabile, circa 0.003-0.04 ppm (6-80 mg/m3). La
variabilità del fondo naturale di ozono dipende principalmente dal regime dei venti, i quali talvolta possono portare a livello del suolo l'ozono presente normalmente alle alte altitudini dell'ozonosfera. L'ozonosfera è lo strato dell'atmosfera, di altezza compresa fra 15 e 50 Km circa, che contiene l'ozono formatosi spontaneamente dalla dissociazione radicalica dell'ossigeno ad opera dei raggi UV. Nell'ozonosfera la concentrazione dell'ozono è circa 10 ppm.
Fonti di emissione: A livello del suolo esso si forma come inquinante
secondario grazie all'azione della luce solare sul biossido di azoto (NO2) e
successivamente alla reazione con l’ossigeno. Col termine inquinante secondario si indica quell'inquinante che non è immesso direttamente in atmosfera dalle varie fonti di inquinamento, bensì successivamente, grazie a una serie di reazioni chimiche con altri inquinanti presenti nell'aria e/o con altri gas dell'atmosfera. L'attivazione di queste reazioni è conseguente alla presenza in atmosfera, oltre che di NO2, anche di precursori quali gli idrocarburi reattivi. Il tempo di persistenza dell'ozono nell'aria è di poche ore in presenza di altri inquinanti atmosferici, in particolare in presenza di monossido di azoto e idrocarburi, mentre nell'aria pulita l'ozono può rimanere anche alcuni mesi. Questo fatto ha come conseguenza che le concentrazioni più alte di ozono spesso si trovano nelle zone rurali più o meno vicine alle città o vicine alle zone industriali. Infatti i
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 15
venti trasportano l'ozono e i suoi precursori lontano dalle zone urbane e qui, nelle intense giornate di sole, l'ozono si forma ma non viene consumato.
Effetti sulla salute: a concentrazioni di 0.1 ppm (200 mg/m3) provoca
bruciore agli occhi, irritazione alla gola e alle vie respiratorie e secchezza delle fauci. A concentrazioni maggiori si ha una menomazione delle funzioni respiratorie e maggiore frequenza di attacchi asmatici. A elevate concentrazioni (oltre 2 ppm - 4.000 mg/m3 e oltre) può provocare la morte per edema
polmonare. L'Organizzazione Mondiale della Sanità fissa i seguenti valori guida da non superare: 120 mg/m3 come media su 8 ore. Inoltre l'ozono provoca danni
sulla vegetazione e quindi anche sui raccolti.
Limiti di legge: il valore limite da non superare è 200 mg/m3 come media
oraria da non superare per più di una volta al mese (DPCM 28.3.83).
Il DMA 25.11.94 ha fissato il livello di attenzione pari a 180 mg/m3 come media
oraria e il livello di allarme pari a 360 mg/m3 sempre come media oraria.
Il DM 16.5.96 fissa i seguenti 4 limiti da rispettare:
• Come livello per la protezione della salute il valore di 110 mg/m3 come media su 8 ore da calcolarsi 4 volte al giorno a partire dalle ore 00, 08, 12 e 16; • Come livello per la protezione della vegetazione il valore di 200 mg/m3 come
media oraria e 65 come media su 24 ore;
• Come livello di attenzione o di informazione alla popolazione la soglia di 180 mg/m3come media oraria;
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 16
Indice della qualità dell’aria (AQI)
2.4
A seguito di un'intensa attività di ricerca scientifica rivolta allo studio degli effetti degli agenti inquinanti aerodispersi, si è affermata la necessità di sviluppare azioni e politiche di riduzione dell'inquinamento atmosferico. Tali politiche, che nel corso degli ultimi anni hanno prodotto numerosi risultati positivi quali l'abbattimento delle concentrazioni di biossido di zolfo (SO2),
piombo e di monossido di carbonio (CO), oggi affrontano problematiche legate ad inquinanti atmosferici quali il biossido di azoto (NO2) il PM10 e l'ozono (O3)
per i quali solo recentemente si è presa coscienza dell'effettiva criticità.
Per supportare l'azione preventiva risulta necessaria l'informazione della popolazione attraverso la comunicazione del rischio cui è sottoposta. A tal fine in diversi Paesi viene utilizzato un sistema di indicatori in grado di esplicitare alla popolazione, in modo semplice ed immediato, il livello qualitativo dell'aria che si respira. Tale sistema, proposto originariamente dall'Agenzia per la protezione dell'ambiente americana (E.P.A.), prende il nome di Air Quality Index (AQI); anche in Europa molti Stati applicano un indice paragonabile a quello americano come strumento per sensibilizzare l'opinione pubblica alla qualità dell'aria. Qualsiasi sia la metodologia di calcolo utilizzata, un simile indice non descrive la misura di un inquinante rilevato dalla singola stazione di monitoraggio, ma permette di informare il cittadino in merito allo "stato" della qualità dell'aria per zone estese, in cui le concentrazioni di inquinanti e quindi i livelli di rischio per la salute sono confrontabili.
La messa in opera di un Indice di Qualità dell'Aria (IQA) nel nostro territorio permette di fornire indicazioni tendenziali riguardo "a quanto pulita o
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 17
inquinata" possa essere l'aria che respiriamo e quanto sia a rischio la salute delle varie categorie di cittadini ai livelli di inquinamento rilevati.
L'IQA prende in considerazione, fra i vari parametri per i quali la legge prevede il controllo, le sostanze inquinanti maggiormente critiche nel nostro territorio nei diversi periodi dell'anno, i cui effetti sono rappresentativi dell'impatto dell'inquinamento atmosferico sulla salute umana: ozono (O3) e PM10 nel
periodo estivo, PM10 e biossido d'azoto (NO2) nel periodo invernale.
2.4.1 Come funziona l’IQA?
L'IQA costituisce uno strumento di comunicazione che rende facilmente accessibili le informazioni sullo stato della qualità dell'aria. Stabilisce, attraverso il confronto con i parametri della normativa vigente, il grado di soddisfazione della qualità dell'aria e quindi anche il grado di protezione della salute umana.
L’IQA vuole essere un indice dell’esposizione media della popolazione, fornendo un’informazione aggregata immediata, difficilmente ottenibile dai dati puntuali delle singole centraline del Sistema Regionale di Rilevamento della Qualità dell’Aria.
L'IQA viene espresso con un indice numerico che può variare da 1 a 7, più alto è il valore, più elevato è il livello di inquinamento atmosferico e più grande il rischio per la salute. Il sistema consente quindi di mettere in relazione i livelli di qualità dell'aria con i rischi sanitari che questi comportano e, contestualmente, suggerisce l'adozione di buone pratiche da parte dei cittadini.
Il calcolo dell'IQA prevede prima il calcolo dei "sottoindici" relativi ai singoli inquinanti monitorati: biossido di azoto (NO2), ozono (O3), polveri sottili
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 18
(PM10). Il valore complessivo dell'indice si calcola come media dei due sottoindici peggiori (vedere allegato tecnico sottostante), in modo da fornire un valore complessivo di tendenza della qualità dell'aria cui è soggetta la popolazione. I singoli “sottoindici” sono calcolati a partire da valori medi per i vari parametri, ricavati dall’applicazione di un modello di dispersione degli inquinanti. Tale modello prevede l’uso dei dati rilevati da un set di centraline del Sistema regionale di rilevamento della Qualità dell’Aria, ritenuto rappresentativo per la realtà della Provincia di Asti. In tal modo sono inevitabilmente “smorzati” i valori rilevati dalle singole centraline, che continuano invece a conservare la significatività spaziale del sito in cui sono ubicate.
Il valore numerico dell'IQA si calcola ogni giorno al termine del ciclo di validazione dei dati prodotti dal Sistema regionale di rilevamento della Qualità dell’Aria nel giorno precedente e di produzione delle mappature regionali.
Il valore numerico ottenuto viene abbinato alla relativa classe di appartenenza e l'informazione fornita al pubblico è quella definita per ogni intervallo, come mostra la seguente tabella. A tale valore viene inoltre abbinata, sulla base delle previsioni meteorologiche, un'indicazione sull'evoluzione dei fenomeni di inquinamento atmosferico.
VALORE NUMERICO INDICE NUMERICO QUALITA'DELL'ARIA
0-50 1 Ottima 51-75 2 Buona 76-100 3 Discreta 101-125 4 Mediocre 125-150 5 Poco salubre 151-175 6 Insalubre >175 7 Molto insalubre
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 19
L'IQA non è una misura ma un'analisi di tendenza e rappresenta un indice convenzionale per:
1. segnalare giornalmente la qualità dell'aria; 2. identificare i parametri ambientali peggiori;
3. calcolare la dimensione del rischio cui è sottoposta la popolazione.
Un valore numerico di IQA uguale a 100 corrisponde mediamente ai limiti di qualità dell'aria per le sostanze inquinanti previsti dalla normativa. Così, valori di IQA inferiori a 100 sono generalmente soddisfacenti con nessun potenziale interesse per la sanità pubblica e, quanto più i valori di IQA sono superiori a 100, tanto più la qualità dell'aria è considerata non cautelativa, inizialmente solo per i gruppi di persone più sensibili, poi per tutti.
2.4.2 Come leggere l’IQA
Ai sette livelli di IQA si associano diversi giudizi in merito alla qualità dell'aria, diversi colori e alcune raccomandazioni utili alla popolazione:
1. "ottima": colore blu, il valore numerico di IQA è compreso fra 0 e 50. La qualità dell'aria è considerata eccellente.
2. "buona": colore azzurro, il valore numerico di IQA è compreso fra 51 e 75. La qualità dell'aria è considerata molto soddisfacente con nessun rischio per la popolazione.
3. "discreta": colore verde, il valore numerico di IQA è compreso fra 76 e 100. La qualità dell'aria è soddisfacente con nessun rischio per la popolazione.
4. "mediocre": colore giallo, il valore numerico di IQA è compreso fra 101 e 125. La popolazione non è a rischio. Le persone asmatiche, bronchitiche croniche o cardiopatiche potrebbero avvertire lievi sintomi respiratori
2.GAS inquinanti ed indice della qualità dell’aria 20
solo durante un'attività fisica intensa; si consiglia pertanto a questa categoria di persone di limitare l'esercizio fisico all'aperto, specialmente nelle ore centrali della giornata durante i mesi estivi.
5. "poco salubre": colore arancione, il valore numerico di IQA è compreso fra 126 e 150. Le persone con complicazioni cardiache, gli anziani e i bambini potrebbero essere a rischio, si consiglia pertanto a queste categorie di persone di limitare l'attività fisica e la permanenza prolungata all'aria aperta specialmente nelle ore centrali della giornata durante i mesi estivi.
6. "insalubre": colore rosso, il valore numerico di IQA è compreso fra 151 e 175. Molti cittadini potrebbero avvertire lievi sintomi negativi sulla salute, comunque reversibili, per tanto si consiglia di limitare la permanenza all'aria aperta, specialmente nelle ore centrali della giornata durante i mesi estivi. I membri dei gruppi sensibili potrebbero invece avvertire sintomi più seri, è quindi conveniente esporsi il meno possibile all'aria aperta.
7. "molto insalubre": colore viola, il valore numerico di IQA è maggiore di 175. Tutti i cittadini potrebbero avvertire lievi effetti negativi sulla salute. Gli anziani e le persone con complicazioni respiratorie dovrebbero evitare di uscire, mentre gli altri, specialmente i bambini, dovrebbero evitare l'attività fisica e limitare la permanenza all'aria aperta, specialmente nelle ore centrali della giornata durante i mesi estivi.
3, Stato dell’arte 21
3 Stato dell’arte
Negli ultimi anni sono stati condotti numerosi studi rivolti allo sviluppo di sistemi di monitoraggio ambientale nelle aree abitate, al fine di informare i cittadini delle concentrazioni di inquinanti cui sono esposti durante le ore del giorno e permettere loro di compiere scelte coscienti.
Tuttavia, molti sistemi già in uso utilizzano tecnologie ormai obsolete costose e difficili da mantenere. Spesso si fa uso di grosse stazioni di monitoraggio disposte in punti strategici della città, in grado di effettuare rilevamenti accurati e complessi su fattori inquinanti ed meteorologici queste permettono però di avere informazioni relative alla sola posizione in cui sono collocate ed essendo costose e di grosse dimensioni non è possibile realizzare una grossa distribuzione, per cui la risoluzione dei dati è molto bassa e non da un’idea sufficiente della concentrazioni di inquinanti effettivamente diffuse per vie cittadine.
Gli studi più recenti sono orientati verso soluzioni a basso costo e poco invasive, in modo da poter essere facilmente distribuite per la città e ottenere maggiori accuratezze nelle misure effettuate. In quest’ottica le reti di sensori wireless vengono perfettamente in contro a quelle che sono le nuove esigente ed infatti la maggior parte dei progetti di monitoraggio ambientale iniziati di recente si basa proprio sull’utilizzo di una wireless sensors network (WSN) per collezionare dati dall’ambiente.
3. Stato dell’arte 22
Nel seguito verranno brevemente descritti dei progetti realizzati negli ultimi anni per dare un’idea della direzione in cui si sta muovendo la ricerca in questo campo.
MESSAGE –Mobile environmental sensing across grid environments
Un esempio è rappresentato da MESSAGE (Mobile environmental sensing across grid environments), un progetto di ricerca iniziato nel 2006 finanziato dal Dipartimento dei Trasporti del Regno Unito e dal EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council) e su cui hanno lavorato diverse università inglesi, con l’obiettivo di realizzare una nuova infrastruttura innovativa, combinando l’uso di sensori fissi e mobili, per effettuare la pianificazione, la gestione ed il controllo e l’impatto dei trasporti sull’ambiente e sulla salute dell’uomo.
Prevede, l’utilizzo di sensori elettrochimici a basso costo, fissi e spettrometri portatili in grado di rilevare la presenza d diversi gas, trasportabili sui veicoli o anche a piedi in quando alimentati a batteria. I DUVAS sono sensori mobili che funzionano ad assorbimento: viene fatto passare un raggio di luce attraverso una nuvola di gas e ciascuna sostanza in essa presente assorbe determinate lunghezze d’onda permettendo così di rilevarne la presenta.
Figura 3, Nodo Fisso
3. Stato dell’arte 23
The CitiSense Air Quality Monitoring Mobile Sensor Node
3.1
Un altro lavoro che rientra nella classe presa in esame è stato pubblicato nel 2012 dall'Università di San Diego [1] e si differenzia dai precedenti in quanto il sensore utilizzato per le misure consiste in
un piccolo dispositivo portatile indossabile dagli utenti in modo che possa essere usato per raccogliere misure accurate sull'esposizione individuale alle concentrazioni di inquinanti durante le attività giornaliere di una persona on board in modo da ridurre la quantità di informazione da trasmettere e risparmiare così energia durante le comunicazioni, e di un modulo bluetooth, che gli permette di comunicare con lo smartphone dell'utente. Sullo smartphone è installato un apposito software che si occupa di aggregare i dati ricevuti con altre informazioni, quali ad esempio la posizione geografica ricavata tramite il sistema GPS, per poi inoltrarli ad un server di back-end. Gli utenti possono verificare in tempo reale il livello di inquinanti cui sono esposti tramite un'applicazione Android, oppure tramite un sito web possono visualizzarne l'andamento nel corso del giorno. L'applicazione offre anche la possibilità di condividere con gli amici i dati appena raccolti tramite un social network. Il sistema prevede inoltre di combinare i dati provenienti dai vari utenti in modo da definire dei modelli di distribuzione degli inquinanti ed individuare le zone a più alto rischio. Il progetto è stato testato da un numero campione di utenti Figura 4, Progetto CitiSense
3. Stato dell’arte 24
durante periodi di lunghezza diversa ed ha avuto un riscontro positivo tra i cittadini che hanno accolto bene l'idea di poter verificare in tempo reale se la zona in cui si trovano in quel momento presenta un'elevata concentrazione di sostanze nocive, in modo da poter eventualmente prendere precauzioni. Un problema di un'applicazione di questo tipo è però l'elevato consumo energetico dovuto al modulo bluetooth (sia del dispositivo che dello smartphone) tenuto costantemente acceso.
PEIR, Personal Environmental Impact Report
3.2
PEIR [2] Rientra nel campo delle applicazioni di partecipatory sensing, modalità di acquisizione dati distribuita in cui sono i partecipanti a decidere cosa, dove e quando campionare. Fa uso di dati di localizzazione raccolti dagli smartphone degli utenti, dispositivi utilizzati ormai nella vita di tutti i giorni, per calcolare una stima personale dell'impatto che un individuo ha sull'ambiente e allo stesso tempo dell'esposizione che si ha a fattori inquinanti rappresentanti un pericolo per la salute umana, in modo da rendere le persone consapevoli della relazione tra le proprie azioni giornaliere e il mondo circostante. Si tratta quindi di un'infrastruttura già esistente (gli smartphones) da integrare con il lato server. I dispositivi hanno il compito di raccogliere informazioni sulla posizione dei partecipanti tramite GPS e di caricarlo sui server via CLOUD. I dati vengono poi integrati ad altri tipi di misure e analizzati secondo la modalità di movimento con cui sono stati raccolti per la creazione di modelli personalizzati per ciascun utente al ne di dare un'idea dell'esposizione individuale ai fattori di rischio. Inoltre gli utenti possono condividere e confrontare i propri modelli tramite social network come incentivo a ridurre le proprie emissioni e i propri
3. Stato dell’arte 25
consumi. I modelli sono costruiti sulla base di dati riguardanti i percorsi individuati tramite GPS, le modalità di trasposto (auto o a piedi), valori meteorologici (temperatura e umidità) e le condizioni di traffico e le emissioni dei veicoli, stimate sulla base di appositi schemi. Il risultato finale è mostrare una mappa interattiva su cui vengono visualizzati tratti di percorsi colorati con intensità diversa sulla base del livello di impatto causato e dell'esposizione ai valori a rischio subita, secondo i modelli stimati. Tuttavia, rispetto ad esempio al sistema CitiSense descritto nel paragrafo precedente, questo studio potrebbe risultare poco accurato in quanto si basa su stime e su modelli
Quali potrebbero non rispecchiare l'effettiva esposizione agli inquinanti, in quanto,questi presentano distribuzioni non uniformi nello spazio e nel tempo. Inoltre sono necessarie opportune politiche di privacy per rendere il sistema poco invasivo.
Smart Santander
3.3
È stata realizzata [3] una rete fissa di sensori per il controllo dell'illuminazione, del meteo, del rumore, della sicurezza, delle aree verdi ecc, e una rete mobile che è stata montata sui veicoli del trasporto pubblico, mezzi delle forze dell'ordine e taxi. I sensori fissi, installati attorno al centro di Santander, per una superficie di circa 6 chilometri quadrati, sono nascosti all'interno di piccole scatole grigie collegate ai lampioni, i pali e le pareti degli edifici.
3. Stato dell’arte 26
Misurano luce, pressione, temperatura, umidità, i movimenti di auto e persone. I dati sono raccolti in una sede centrale presso l'università. Tutto viene registrato e studiato in tempo reale, dai rumori alla concentrazione delle polveri sottili, agli ingorghi. È possibile controllare e modulare l'utilizzo dell'acqua per l'irrigazione negli spazi pubblici per evitare spechi, ed ottimizzare il percorso dei camion per la raccolta dei rifiuti. Grazie ai sensori mobili ogni singolo bus trasferisce la sua posizione, il chilometraggio e velocità, e i dati sull'inquinamento atmosferico prodotto, taxi e auto della polizia fanno lo stesso. Ma senza la partecipazione attiva dei cittadini, la città di Santander non potrebbe essere considerata una vera città intelligente. Il vero punto di forza del programma sono infatti la "realidad augmentada" ed il progetto “Pulso de la
ciudad”. La prima è un'applicazione per smartphone che permette di conoscere
in tempo reale qualunque tipo di informazione utile alla vita quotidiana, dagli orari degli autobus, alle informazioni turistiche fino alle offerte dei singoli negozi.
La seconda invece ha l'obiettivo di avvicinare i cittadini all' amministrazione pubblica e viceversa, migliorando la qualità della vita. Attraverso questa applicazione è possibile inviare reclami ai consiglieri e ai quotidiani locali, in particolare sui problemi del traffico e delle condizioni del manto stradale, avendo come feedback notizie su percorsi alternativi e tempi di risoluzione da parte dell'amministrazione comunale del problema segnalato.
Tutti i dati sono resi pubblici, ma il cittadino che invia il reclamo rimane anonimo. La sperimentazione ha attirato l'interesse si diverse aziende private e altre amministrazioni che vedono Santander come un laboratorio sperimentale vivente, una città che per le sue dimensioni, non troppo grandi troppo piccole, può essere utilizzato come modello di sviluppo di città intelligente.
3. Stato dell’arte 27
3. Stato dell’arte 28
AIR Quality EGG
3.4
Un altro progetto interessante sviluppato da una comunità di persone interessate all’argomento inquinamento è Air Quality Egg [4], si tratta di un sistema di partecipatory sensing dove un cittadino può acquistare il proprio sensore (EGG) da inserire in un luogo scelto nelle vicinanze della propria abitazione, il quale cambia colore in base al livello di inquinamento che rileva, inoltre il cittadino può registrar il proprio dispositivo sul sito del progetto assieme alla posizione facendo in modo che venga reso pubblico in una mappa, cliccando sull’apposito EGG è possibile vedere le statistiche riguardanti l’inquinamento in quel luogo, in particolare i livelli di O3, NO2, CO e CO2.
3. Stato dell’arte 29
Conclusioni
3.5
Gli studi citati sono solo un piccolo esempio che testimonia come negli ultimi anni sia nel campo della ricerca sia più in generale nella società si sia diffuso un interesse sempre più forte verso applicazioni di monitoraggio ambientale. Il sistema di monitoraggio realizzato in questa tesi presenta molti punti in comune con i progetti sopra descritti, ma allo stesso tempo si differenzia in quanto propone un'architettura non tradizionale che fa uso di dispositivi sensori fissi a basso costo, per effettuare le misure, distribuendoli per la città senza un particolare ordinamento ma con una densità tale da avere un'elevata risoluzione delle misure senza tuttavia costituire una rete multihop. Anche il consumo energetico è ridotto perché, tramite opportune politiche di power
management, il modulo radio dei sensori viene acceso soltanto quando è il
momento di trasferire i dati al server di raccolta. Ma il lato innovativo di U-Sense consiste nell'idea di voler coinvolgere gli abitanti delle città nella raccolta dei dati in modo attivo e poco invasivo: essi possono diventare possessori di un dispositivo e collocarlo in una posizione di proprio interesse (il balcone o il giardino di casa, un ufficio, una scuola, ecc.) per poter visualizzare in tempo reale risultati concreti relativi ai luoghi in cui trascorrono le proprie attività quotidiane ed eventualmente condividerli con amici, o visualizzarli sul proprio smartphone ANDROID. Si ritiene infatti che mostrare dati reali sui fattori nocivi con cui essi vengono effettivamente in contatto e che quindi li riguardano in prima persona possa risultare di maggior interesse, oltre ad essere fonte maggiore di incentivo e sensibilizzazione. I dati da loro raccolti vengono integrati nel sistema con quelli provenienti dalla rete di sensori pubblica per offrire agli stessi cittadini servizi che permettono ad esempio di individuare quali
3. Stato dell’arte 30
zone hanno il più alto tasso di inquinamento in un certo momento e di definire in tempo reale percorsi che, tenendo conto degli ultimi rilevamenti pervenuti, cercano di minimizzare i tempi di esposizione nelle zone più dannose.
Il lavoro sviluppato ha dato particolare riguardo al consumo energetico nell'ambito della raccolta dei dati, ottimizzando i protocolli di comunicazione, i trasferimenti e l'individuazione delle fasi di inattività al fine di prolungare il più possibile il tempo di vita di ogni singolo dispositivo e conseguentemente, dell'intera rete
4, Architettura del sistema 31
4 Architettura del sistema
In questo capitolo viene descritta in modo generale l’architettura del sistema di Cooperative Urban Sensing (CUS) denominato U-Sense, realizzato nella tesi e facente parte della vasta piattaforma dei servizi di info mobilità e di pagamento elettronico sviluppata nell’ambito del progetto SMARTY.
Lo scopo di questo capitolo è offrire un introduzione al sistema scrivendone le fasi e le componenti principali senza approfondirne i dettagli, che verranno forniti nei capitoli successivi riguardanti l’implementazione.
Dopo una breve descrizione degli obiettivi del progetto SMARTY, viene presentata l’architettura generale definendo le fasi che permettono la realizzazione degli scopi proposti e come queste si interfaccino l’una con l’altra. In seguito verrà descritta la struttura hardware dei nodi sensore, la loro calibrazione, le interfacce di presentazione dei dati all’utente e i servizi esposti per sistema SMARTY.
5, Architettura del sistema 32
Progetto SMARTY
4.1
Il progetto SMARTY [7] (Smart Transport For a Sustainable City) è un progetto finanziato dalla regione toscana al quale prendono parte l’azienda SOFTECH e l’Università di Pisa, e prevede una durata biennale che va dal 2012 al 2014. Si parla sempre più spesso negli ultimi anni di Ambient Intelligence, riferendosi con questo termine ad una ambiente elettronico pervasivo poco invasivo e spesso impercettibile dall’uomo, in grado di prevedere i comportamenti umani e agire di conseguenza, con lo scopo di migliorare la quotidianità della vita degli individui.
Obiettivo del progetto è la realizzazione di una piattaforma ICT che prevede l’integrazione di dati provenienti da centrali di monitoraggio e dispositivi di vario tipo distribuiti nell’ambiente cittadino e si propone di offrire servizi innovativi , quali informazioni in tempo reale sulla mobilità, sui ritardi dei mezzi, e sula disponibilità di parcheggi e la gestione di mezzi di trasporto alternativi ed ecologici quali il car o bus pooling e il car o bike sharing, prevedendo anche una sistema di pagamento elettronico per usufruire dei servizi, il tutto accedendo tramite il proprio smartphone. Inoltre è prevista la possibilità di consultare i dati raccolti per ottenere un percorso da una certa sorgente ad una certa destinazione all’interno della città, che tenga conto della condizione attuale del traffico, di eventuali ingorghi, di auto o di biciclette messi a disposizione dal comune ed anche del livello di inquinamento lungo i tratti da percorrere.
Un ramo del progetto SMARTY di occupa del monitoraggio delle condizioni ambientali all’interno dell’aria cittadina per conoscere in tempo reali il livello di
5, Architettura del sistema 33
inquinamento in certe zone di interesse o in punti critici (quali ospedali, giardini, parchi pubblici, scuole) e per poter costruire il percorso che presenta il più basso livello di inquinamento tra quelli disponibili secondo gli ultimi rilevamenti effettuati dai dispositivi sparsi per la città.
A questo scopo, è stato realizzato U-SENSE, sistema di monitoraggio cooperativo (cooperative urban sensing) in quanto coinvolge i cittadini nelle operazioni di raccolta dei dati permettendo loro di scegliere il luogo in cui posizionare i dispositivi sensori con l’obiettivo di offrire dei servizi che li riguardino. In prima persona. In questa tesi ci siamo occupati della progettazione e dell’implementazione del sistema CUS in tutte le fasi che lo costituiscono dalla raccolta dei dati da parte dei sensori alla costruzione del percorso ottimale sulla base del livello attuale di inquinamento è stata inoltre sviluppata un applicazione per smartphone ANDROID che permette all’utente di verificare lo stato di inquinamento nelle sue vicinanze.
5, Architettura del sistema 34
Architettura generale del sistema
4.2
Access Point Router WiFi Tablet PC Smartphone Private sensors Database Server FTP Public Sensor CO CO CO Web Server Server Applicativo SOAP JBOSS COFigura 7, Architettura del sistema U-sense da noi svolto
A sinistra è raffigurata la fase di raccolta dei dati, con i vari protocolli di comunicazione sviluppata in una precedente tesi [1]
I componenti che prendono parte a questa operazione sono: • Nodi sensori cittadini
• Nodi sensori privati • Nodi Mobili (collettori)
Nella tesi svolta precedentemente ai fini di sviluppare i soli protocolli di comunicazione, venivano utilizzati nodi privi di sensori di inquinamento, ma solo di luminosità umidità e pressione (TELOSB).
5, Architettura del sistema 35
Per la nostra tesi abbiamo sostituito i sensori TELOSB con sensori LIBELIUM realizzati appositamente per il monitoraggio dell’inquinamento ed adattato tutto il codice per la nova piattaforma.
I nodi sensori cittadini sono dispositivi di proprietà dell’amministratore del sistema, comunicano tramite modulo Wi-Fi collegandosi ad access point pubblici, oppure immagazzinando dati in una memoria nel caso non sia disponibile un collegamento, in particola CO, CO2 NO2, O3, VOC, UMIDITA’
I nodi sensori privati sono di proprietà di un utente che, interessato al livello di inquinamento in una posizione specifica decide di acquistarne uno per posizionarlo nel luogo di interesse, che potrebbe essere ad esempio i proprio balcone o il proprio giardino. Tutti i sensori del sistema effettuano le misure sull’ambiente circostante secondo un periodo di campionamento fisso e uguale per tutti i dispositivi.
La fase successiva prevede l’inoltro dei dati collezionati ad un centro di raccolta. Sempre in riferimento alla figura 7, nella parte centrale all’interno del quadrato è mostrato il sottosistema di back-end, costituito da:
• Un server di raccolta; • Un database
• Un server web
• Un server FTP di raccolta file da elaborare • Un server per applicazione SOA
Per poter comunicare i dati raccolti al database è indispensabile avere accesso alla rete, anche se non sempre disponibile.
5, Architettura del sistema 36
Campionamento dati
4.3
Nel nostro sistema abbiamo previsto di campionare l’aria ad intervalli regolari e che vengano comunicate le letture ad un server di raccolta, per far ciò abbiamo quindi bisogno di:
1. Un intelligenza, fornita da un microcontrollore
2. Sensori di inquinamento per il rilevamento dei dati ambientali 3. Un metodo di comunicazione con l’esterno
Durante questa fase dobbiamo tener conto che i sensori vengano posizionati in aree dove non sempre la comunicazione è possibile, ed inoltre abbiamo dovuto tener conto che il sistema debba avere un autonomia ed un autosufficienza da poterlo rendere facile da installare e che non richiedesse manutenzione eccessiva. Per far ciò abbiamo sviluppato appositi protocolli di raccolta dati opportunistica e protocolli di power management.
Il sistema prevede quindi di stare in modalità SLEEP (sostanzialmente spento) per la maggior parte del tempo e di “svegliarsi” ad intervalli regolari per
effettuare le misurazioni e la trasmissione, infatti non avrebbe senso mantenere costantemente il sensore acceso in continua fase di campionamento oppure in trasmissione quando non vi è accesso a nessun mezzo WIFI.
Successivamente nel capito sull’implementazione vedremo come sono stati realizzati questi protocolli.
5, Architettura del sistema 37
Fase di Trasferimento dati
4.4
Rilevata la presenza di un access point all’interno dell’aria di contatto con l’utilizzo del nostro protocollo di discovery già discuso in [8], il nodo sensore inizia la fase di scambio dati utilizzando il protocollo TCP/IP e HTTP, poiché l’hardware in nostra dotazione non ha grande capacità di bufferizzazione il frame deve essere inviato suddiviso in quattro parti come vedremo successivamente nella fase implementativa nella fase implementativa , la forza di questo sistema è che non vi sono vincoli sul numero di nodi che possono trasmetter e in contemporanea e il routing è totalmente trasparente alla programmatore.
5, Architettura del sistema 38
Protocolli opportunistici e raccolta dati
4.5
Per la fase di raccolta dati ci siamo basati su un precedente lavoro svolto
all’interno dell’università di Pisa sempre nell’ambito del progetto SMARTY [8], in tale lavoro si prevedevano protocolli opportunistici per la raccolta e il
trasferimento dati in ambito urbano e on l’ausilio di OBILE AGENT, abbiamo esteso questo lavoro inserendo sensori di inquinamento, modificando il già presente sito internet e realizzando un applicazione android, per finire poi abbiamo realizzato il tutto con in architettura SOA.
Architettura SOA
4.6
5, Architettura del sistema 39
Il sistema informatico in questione potrebbe essere implementato utilizzando una semplice architettura client-server oppure un’architettura SOA [9] che permetterebbe una maggiore flessibilità, associata ad una applicazione web. Analizziamo entrambe le soluzioni per poter stabilire quale delle due risulta più idonea per il sistema da realizzare.
Architettura client-server: Questo tipo di architettura permette di avere un
server centrale che gestisce i dati usando data base relazionali (DBMS, acronimo inglese di database management system) e un server che gestisce l’applicazione che può essere acceduta da client. In questo caso il server è di tipo web e quindi potrebbe accettare richieste da client tipo browser. Questa architettura risulta abbastanza veloce nell’implementazione, ma limita gli utenti ad utilizzare un solo tipo di client e oltretutto potrebbe risultare difficile l’integrazione con altri sistemi.
Architettura SOA: Un’ architettura SOA (acronimo inglese di Service Oriented
Architecture) è in grado di fornire servizi (funzionalità), tramite i cosiddetti web
POLLUTION EJB WEB
5, Architettura del sistema 40
service, ad applicazioni o utenti e di rappresentare le singole componenti di un processo di business in termini di servizi offerti. Pertanto nell’ambito di una SOA è possibile gestire la combinazione ottimale di servizi utilizzati in un processo di business, rendendo questo servizio riutilizzabile e configurabile a seconda delle specifiche esigenze. In questo caso il software sarebbe composto da un database, dall’insieme dei servizi web, e dai vari client che accedono ai servizi. Si tratta di un sistema software progettato per supportare l'interoperabilità tra diversi elaboratori su una stessa rete. All'applicazione è associata un'interfaccia software, descritta in un formato chiamato WSDL (Web Service Description Language) utilizzandolo, altri sistemi possono interagire con il web service, attivando le operazioni descritte nell'interfaccia attraverso appositi messaggi di tipo SOAP [36]. I client potrebbero essere sia applicazioni stand-alone sia applicazioni web.
I punti più interessanti di una SOA sono:
• il fatto che non sia legata ad una specifica tecnologia, consente di potersi
interfacciare in maniera più o meno semplice a qualsiasi altra realtà aziendale o commerciale anche se questa gestisce i propri processi di business in maniera differente.
• il fatto di garantire l’indipendenza dei servizi offerti dall’applicazione
chiamante viene effettuato tramite un’ interfaccia specifica implementata seguendo il pattern architetturale MVC (Model-View-Control), il servizio non deve essere a conoscenza dell’applicazione chiamante e l’applicazione chiamante non deve sapere quale servizio soddisferà le proprie necessità.
• il fatto di garantire l’interoperabilità dei servizi tramite protocolli
5, Architettura del sistema 41
utilizzata per realizzare le applicazioni. Ad esempio in una SOA possono comunicare servizi scritti in differenti linguaggi di programmazione.
4.6.1 Servizi Esposti
I servizi esposti sono accessibili attraverso un determinato Web Service che si preoccupa di interagire con la logica di business e di serializzare l oggetto restituito secondo il formato JSON. Di seguito sono descritti tutti i servizi esposti, fornendo per ognuna di esse una tabella che descrive il servizio stesso, i parametri necessari e il tipo restituito. Quest’ultimo è sempre una stringa in formato JSON, che permette di descrivere un oggetto attraverso coppie (attributi- valori). Tali coppie dipendono, ovviamente, dal determinato oggetto. In particolare, ogni oggetto avrà tante coppie quanti sono i suoi campi e il nome e il valore di un determinato campo definisco, rispettivamente, l’attributo e il valore della coppia. Ad esempio per il servizio getSensorRangeService la stringa JSON corrispondente è ottenuta attraverso la serializzazione JSON dell’ oggetto Result, che a sua volta prevede la serializzazione in formato JSON dell’ oggetto che implementa Header, nel nostro caso è sempre la classe Info e dalla lista di oggetti che implementano Payload.
4.6.2 Gestione server
L'hardware necessario all'implementazione della piattaforma software consiste quasi unicamente in un server. La macchina server che eseguirà il software può essere installata direttamente all’interno dell’azienda oppure si può scegliere di affittare una macchina server all’interno di una “Server Farm” stipulando un contratto di locazione. Attualmente la macchina server che espone i servizi è presente all'interno del “Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione”, Via Diotisalvi 1, Pisa.
5, Architettura del sistema 42
Per quanto concerne l'uso futuro dell'applicazione, si analizzano le due possibili soluzione riguardanti il server per evidenziarne pregi e difetti:
Server locale: Installare l’applicazione su un server locale ha il vantaggio di
poterlo configurare ad hoc sulla base delle specifiche richieste e oltretutto consente di tenere tutti i dati sensibili inerenti all'applicazione in privato; questo tipo di soluzione prevede però di effettuare una serie di accorgimenti che possano garantire la stabilità e l’usabilità dell’applicazione stessa. Dato che l'applicazione necessita di un uso costante della rete internet dati dai sensori. Più avanti verranno mostrati i servizi esposti
4.6.3 EJB
Gli Enterprise JavaBean (EJB) sono i componenti che implementano, lato server, la logica di business all’interno dell’architettura J2EE. Le specifiche per gli EJB definiscono diverse proprietà che questi devono rispettare, tra cui la persistenza, il supporto alle transazioni, la gestione della concorrenza e della sicurezza e l’integrazione con altre tecnologie, come JMS, JNDI, e CORBA. Lo standard attuale, EJB 3, differisce notevolmente dalle versioni precedenti.
Una delle grosse differenze relative al passaggio tra EJB 2 ed EJB 3 è stata l’eliminazione delle classi utilizzate come Factory per istanziare concretamente il bean. Ciò significa che nella versione 3 non dovremo più creare una classe Home per ogni bean creato, né dovremo preoccuparci di estendere altre classi o interfacce. Inoltre il descrittore di deploy è ora praticamente inutile.
5, Architettura del sistema 43
4.6.4 Database
Al giorno d'oggi i principali database in circolazione sono di tipo relazionale principalmente perché tutti gli insiemi di dati che corrispondono a entità complesse organizzate implicano collegamenti tra i vari dati. Anche nell'implementazione del sistema software per il riconoscimento di eventi critici è stato utilizzato un database di tipo relazionale (che abbiamo chiamato Smarty in quanto è un sistema intelligente) e per la sua realizzazione e gestione è stato utilizzato il DBMS PostGresSql 9.2 e 9.3 sia nella sua versione programmatica, sia nella sua versione visuale tramite l'interfaccia grafica PgAdmin III. Il database creato è costituito da un insieme di tabelle, ognuna delle quali rappresenta una entità. Ogni volta che una classe deve essere resa persistente viene inserita una tupla all’interno della relativa tabella. Dal progetto è possibile notare le varie relazioni che alcune entità hanno tra di loro, ed è possibile suddividerle in tre categorie: uno a uno, uno a molti (o molti a uno) e molti a molti. Per quanto riguarda il database queste relazioni possono essere mantenute creando dei riferimenti tra le tabelle tramite l’utilizzo di chiavi primarie (primary key) e chiavi esterne (foreign key).
La chiave primaria, permette di individuare univocamente una tupla in una relazione e quindi deve essere specificata una sola volta per ogni tabella e può essere definita direttamente su di un singolo attributo, oppure su più attributi che costituiscono l’identificatore. Naturalmente gli
5, Architettura del sistema 44
attributi che fanno parte della chiave primaria non possono assumere il valore nullo.
Il vincolo di chiave esterna crea un legame tra i valori di un attributo della tabella corrente (chiamata master o interna) e i valori di un attributo di un’altra tabella (chiamata child o esterna). Il vincolo impone che per ogni riga della tabella il valore dell’attributo specificato, se diverso dal valore nullo, sia presente anche nelle righe della tabella esterna tra i valori del corrispondente attributo. L’unico requisito che la sintassi impone è che l’attributo cui si fa riferimento nella tabella esterna sia soggetto a un vincolo di unicità indicato come unique.
Per quanto concerne le modifiche e le cancellazioni (update e delete) riguardanti attributi di tabelle legate tra loro tramite vincoli di chiave esterna è stato necessario adottare una delle possibili politiche offerte dal DBMS:
RESTRICT: Una tupla in una tabella non può essere modificata o cancellata
se esiste una riga in una tabella child che la riferisce con vincolo di chiave esterna.
NO ACTION: No action e restrict sono molto simili tra loro. La differenza
principale che consiste tra loro è che il controllo sul vincolo di integrità nel caso del restrict è fatto prima dello svolgimento di qualunque operazione, mentre il no action svolge tale controllo dopo, facendo nel caso trovi dei vincoli ancora attivi un roll-back delle ultime operazioni effettuate.
CASCADE: Quando viene eseguita un'operazione di modifica o cancellazione
su una tupla di una tabella master, questa viene eseguita anche sulla tupla che la riferiva nella tabella child.
5, Architettura del sistema 45 SET NULL: Nel momento della cancellazione (o modifica) di una tupla in una
tabella master, la tupla che la riferiva di una tabella child viene settata dal DBMS a null.
SET DEFAULT: Nel momento della cancellazione (o modifica) di una tupla
in una tabella master, la tupla che la riferiva di una tabella child viene settata dal DBMS al valore di default se impostato, null altrimenti.
Le politiche che sono state scelte maggiormente per la natura delle relazioni che intercorrono tra le tabelle del database Smarty sono il CASCADE e il NO ACTION
5, Architettura del sistema 46
4.6.5 PostGIS
Per il nostro Sistema abbiamo utilizzato POST GIS [17] Quando ci troviamo a dover salvare una grossa quantità di dati geografici abbiamo due opzioni: usare un database Oracle con il pacchetto aggiuntivo (entrambi a pagamento, molto a pagamento) oppure rimanere nel nostro mondo Open Source ed utilizzare PostgreSQL con PostGIS.
E’ una soluzione comunque molto performante, tanto che è stata utilizzata anche da OpenStreetMaps, che oggi mantiene comunque l’uso di PostgreSQL. Viene utilizzato anche da PJ Hooker nel suo lavoro di Spatial Analysis. PJ ci ha scritto una guida introduttiva all’uso dei database spaziali applicata a PostGIS. Come descritto in Wikipedia PostGIS, è un software open source che aggiunge il supporto per oggetti geografici al database PostgreSQL. PostGIS segue le caratteristiche semplici per specifiche SQL dal Open Geospatial Consortium (OGC). L’Open Source Geospatial Foundation (OSgeo), creata per sostenere lo sviluppo collaborativo di software open source geospaziale e promuovere la sua diffusione, inserisce PostGIS, tra le sue Geospatial Libraries. Una volta installato, secondo la comoda guida del sito ufficiale postgis.net con pochi semplici passaggi si trasforma un database in un geo-database:
createdb yourdatabase
createlang plpgsql yourdatabase psql -d yourdatabase -f postgis.sql
5, Architettura del sistema 47
Secondo la definizione data dal World Wide Web Consortium (W3C) un Web Service (servizio web) è un sistema software progettato per supportare l’interoperabilità tra diversi elaboratori su di una medesima rete offrendo un’interfaccia software attivabile tramite appositi “messaggi” inclusi in una “busta” (la più famosa è SOAP): tali messaggi sono, solitamente, trasportati tramite il protocollo HTTP e formattati secondo lo standard XML.
La ragione principale per la creazione e l’utilizzo di Web Service è il “disaccoppiamento” che l’interfaccia standard esposta dal Web Service rende possibile fra il sistema utente ed il Web Service stesso.
L’implementazione del servizio è indipendente dal modo in cui esso verrà erogato, quindi potrebbe essere prevista semplicemente una classe java con relativi metodi. Il descrittore definisce in che modo si dovrà accedere alla classe che fornisce il servizio. Tutto quello che sta in mezzo (trasformazione del messaggio SOAP in comando java e viceversa) è a carico del middleware, che creerà l’opportuna infrastruttura.
Che necessità c’è di scomodare l’architettura J2EE? La necessità risiede negli stessi motivi per cui utilizzare gli ejb: performance, scalabilità, sicurezza, affidabilità. Cose che una semplice classe java, da sola, non garantisce.
5, Implementazione 48
5
Implementazione
Per realizzare il nostro progetto abbiamo bisogno di stabilire quali sono i GAS da monitorare e decidere in che modo monitorarli.
Per prima cosa abbiamo stabilito, come specificato nel capitolo precedente, quali sono i GAS inquinanti e quali sono possibili da monitorare, tenendo conto di fattori quali il costo, l’ingombro e semplicità di uso, abbiamo così deciso di monitorare 4 tipi di GAS Anidride carbonica, Monossido di Carbonio, Ozono e Biossido di Azoto; abbiamo quindi individuato altrettanti sensori in grado di rilevare la presenza di tali gas, infine per rendere il tutto operativo ci serviva un microcontrollore in grado di gestire i rilevamenti e la trasmissione dei valori letti dai sensori.
Microcontrollore
5.1
Il microcontrollore che abbiamo scelto per il nostro progetto è prodotto dalla ditta Libelium, azienda spagnola già impiegata nel progetto smart-cities per la città di Santander, progetto SMART SANTANDER visto nel capitolo 2.
5, Implementazione 49
Si tratta di un microcontrollore modulare a 8 bit, dalle dimensioni ridotte, le cui caratteristiche principali sono il basso consumo in termini di corrente ed il prezzo relativamente basso.
5, Implementazione 50
5.1.1 Caratteristiche tecniche
Processore: ATmega1281 Frequenza: 14MHz SRAM: 8KB EEPROM: 4KB FLASH: 128KB SD Card: 2GB Peso: 20gr Dimensioni: 73.5 x 51 x 13 mmRange di temperatura di lavoro: [-10ºC, +65ºC]
Clock: RTC (32KHz)
5.1.2 Consumo energetico
ON: 15mA
Sleep: 55uA Deep Sleep: 55uA Hibernate: 0.7uA Ingressi/Uscite
7 Analog Inputs, 8 Digital I/O, 2 UART, 1 I2C, 1 SPI, 1 USB, Specific Default Socket for “basic sensors” Temperature, Humidity, Light (LDR)
Caratteristiche elettriche
Battery voltage: 3.3V - 4.2V USB charging: 5V - 100mA Solar panel load: 6 - 12 V - 280mA
5, Implementazione 51
Il microcontrollore Waspmote viene fornito con una batteria da 6.600 mAH, che garantisce una durata in modalità ON del microcontrollore di alcuni mesi.
Figura 9, Potente batteria da 6.600 mAH
5.1.3 Gas Sensor Board
Con il microcontrollore Waspmote abbiamo acquistato un modulo GAS Sensor [13] Board con i vari sensori installati a bordo, in particolare come già accennato abbiamo acquistato il sensore per il rilevamento di CO, CO2,
NO2 O3 e VOC oltre che
5, Implementazione 52
Waspmote Gas 2.0 è stato progettato per monitorare parametri ambientali quali temperatura, umidità, pressione atmosferica e 14 diversi tipi di gas. Esso consente l'inserimento di 7 sensori contemporaneamente, l'amplificazione del segnale di uscita di ciascuno di loro attraverso uno stadio di amplificazione non invertente di un guadagno massimo di 101 controllato da un potenziometro digitale configurabile attraverso l’Inter-Integrated Circuit Bus, I2C).
