WP2
PROTOTIPIZZAZIONE
2.1
SENSORI
| Autore | Francesco D’Amore |
| Data di creazione | 1-Ottobre-2022 |
| Ultima revisione | 30-Ottobre-2022 |
| Titolo | D2.1 – Sensori |
| Soggetto | WP2 – Prototipizzazione |
| Stato | Completato |
| Editore | CNR-IIA |
| Tipo | Deliverable |
| Identificazione | D2.1 |
| Descrizione | |
| Contributi | Francesco D’Amore, Delia Evelina Bruno, Mariantonia Bencardino, Valentino Mannarino |
LISTA
SENSORI
Di seguito la lista dei 7 sensori scelti, associati al parametro misurato:
| PARAMETRO | Nome Parametro | Tipologia di Parametro | Nome Sensore |
| PM10, PM2,5 | Particolato con diametro aerodinamico inferiore a 10 ug | Qualità dell’Aria | OPC-R2 |
| CO | Monossido di Carbonio | Qualità dell’Aria | CO-B4 |
| O3+NO2 | Ozono + Diossido di azoto | Qualità dell’Aria | OX-B431 |
| NO2 | Biossido di Azoto | Qualità dell’Aria | NO2-B43F |
| SO2 | Biossido di Zolfo | Qualità dell’Aria | SO2-B4 |
| VOC | Voc | Qualità dell’Aria | VOC-B4 |
| T, Press, Rh | Meteo | Meteo | PRHT-A1 |
I sensori alphasense sono stati scelti perché sono fra i pochi sul mercato a fornire informazioni certificate sulla loro risposta al parametro misurato. Tale informazione è importante per realizzare un sistema integrato un requisito minimo di affidabilità sul dato rilasciato e condiviso con l’utente finale, che potrebbe essere anche il cittadino interessato alla qualità dell’aria nel territorio di interesse: soprattutto per questo tipo di utenza occorre prestare attenzione al tipo di comunicazione che si condivide, dato che la platea potrebbe non avere gli strumenti adatti a leggere un dato di bassa qualità, soprattutto se non mediato da esperti di dominio. I sensori Alphasense condividono le informazioni di risposta e sensitività come indicato nella figura sotto per il sensore di O3 (ozono):
Le analisi sul comportamento energetico dei sensori scelti sono state effettuate nel deliverable D2.3 sulla base dei data sheet forniti dall’azienda produttrice. Nella tabella di seguito si riporta il sensore con i rispettivi data sheet, tenendo presente che il link fornito potrebbe cambiare.
| PARAMETRO | Nome Parametro | Tipologia di Parametro | Tipo Sensore | Data |
| PM10, PM2,5 | Particolato con diametro aerodinamico inferiore a 10 ug | Qualità dell’Aria | OPC-R2 | https://www.alphasense.com/wp-content/uploads/2021/05/OPC-R2.pdf |
| CO | Monossido di Carbonio | Qualità dell’Aria | CO-B4 | https://www.alphasense.com/wp-content/uploads/2019/09/CO-B4.pdf |
| O3+NO2 | Ozono + Diossido di azoto | Qualità dell’Aria | OX-B431 | https://www.alphasense.com/wp-content/uploads/2019/09/OX-B431.pdf |
| NO2 | Biossido di Azoto | Qualità dell’Aria | NO2-B43F | https://www.alphasense.com/wp-content/uploads/2019/09/NO2-B43F.pdf |
| SO2 | Biossido di Zolfo | Qualità dell’Aria | SO2-B4 | https://www.alphasense.com/wp-content/uploads/2019/09/SO2-B4.pdf |
| VOC | Voc | Qualità dell’Aria | VOC-B4 | https://www.alphasense.com/wp-content/uploads/2021/08/VOC-B4-Aug-21.pdf |
| T, Press, Rh | Meteo | Meteo | PRHT-A1 | https://www.alphasense.com/wp-content/uploads/2021/09/PRHT-RHT.pdf |
INTRODUZIONE
E FINALITÀ
I sensori da individuare per ARMONIA devono ricoprire le misure richieste dal DECRETO LEGISLATIVO 13 agosto 2010, n. 155 in materia di qualità dell’aria che recepisce la direttiva 2008/50/CE della comunità europea.
Dato il tipo di prodotto che si vuole sviluppare, si deve individuare un parco sensori che abbia un costo contenuto, al fine di limitare il costo del prodotto assemblato finito, e una risposta prevedibile e robusta sulla misura del fenomeno osservato. La specifica sul costo totale del prototipo è un vincolo importante perché il prodotto finito deve rispecchiare la visione del progetto: creare un prototipo di piattaforma per l’acquisizione di dati ambientali multi sensore che costi relativamente poco e che sia facilmente replicabile. Inoltre il sistema deve essere potenzialmente autonomo dal punto di vista energetico, il che ci obbliga a prestare particolare attenzione alla scelta di componenti che siano non eccessivamente energivori.
La scelta di sensori low cost ci obbliga a fare dei compromessi fra il costo e la loro accuratezza nel fornire le misure richieste. D’altra parte per le finalità del progetto non serve il sensore più preciso a disposizione sul mercato perché la forza di una piattaforma multisensore dalle dimensioni contenute sta nella possibilità di creare, ad un costo relativamente basso, una rete di sensori che daranno quindi una risposta distribuita dei parametri di interesse, rispetto ad un solo punto di misura fornito da uno strumento più costoso ma difficilmente replicabile.
In sintesi, con una stazione di misura molto costosa riusciamo a misurare molto bene cosa succede in un solo punto, mentre con una rete di sensori riusciamo a misurare meno bene più punti di una rete.
Sulla base di quanto detto sopra, sono stati scelti i sensori forniti dall’azienda Alphasense.
DIMENSIONE E FORMA
dei sensori
Dal sito di alphasense si ricava la forma del sensore di ozono. Cinque sensori oltre a quello di ozono hanno forma e dimensione identica. Il sensore di temperatura, RH e pressione è leggermente più piccolo, come si evince dall’immagine sotto:
Il sensore OPC (Optical Particle Counter) è un sistema integrato con fattore di forma compatta come mostrato nella prossima figura:
Queste informazioni sono state utilizzate durante la progettazione della piattaforma di alloggiamento dei sensori, come illustrato nel deliverable D2.2.
2.2
Piattaforma Multisensore
| Autore | Francesco D’Amore |
| Data di creazione | 1-Ottobre-2022 |
| Ultima revisione | 30-Ottobre-2022 |
| Titolo | D2.2 – Piattaforma Multisensore |
| Soggetto | WP2 – Prototipazione |
| Stato | Completato |
| Editore | CNR-IIA |
| Tipo | Deliverable |
| Identificazione | D2.2 |
| Descrizione | |
| Contributi | Francesco D’Amore, Delia Evelina Bruno, Mariantonia Bencardino, Valentino Mannarino |
box
MULTISENSORE
Nella figura in alto viene riportato un dettaglio di progetto del box multisensore con la piastra di alloggiamento sistemata nella parte inferiore della scatola trapezoidale. Il sistema è altamente modulare e può essere collegato al supporto che contiene quanto necessario per l’autonomia energetica (palo di supporto e pannello fotovoltaico) o usato autonomamente senza alcun supporto. Nell’ultimo caso il box trapezoidale può essere collegato tramite piastra di sostegno a supporti già esistenti come mura di edifici o pali edificati per altri scopi. Se usato autonomamente l’energia necessaria al funzionamento deve essere fornita da sorgenti esterne. Se il box trapezoidale viene utilizzato con il supporto indicato in figura, lo stesso contiene tutto il necessario all’autonomia energetica: un pannello fotovoltaico e batterie montante dentro l’anima del sostegno. Nella figura seguente viene riportato il dettaglio del box multisensore esploso nei moduli costitutivi.
INTRODUZIONE
E FINALITÀ
Nel presente deliverable viene illustrato il progetto della piattaforma/box multisensore dove verranno alloggiati i sette sensori individuati nel deliverable D2.1 e gli altri dispositivi necessari a trasmettere i dati e a fornire l’energia necessaria all’eventuale funzionamento autonomo del sistema. Le quote di progetto sono espresse in millimetri.
Il box multisensore può lavorare individualmente o collegato al supporto alternativo, come indicato nei rispettivi paragrafi del presente deliverable. Nella parte inferiore del box multisensore troviamo una piastra di alloggiamento con gli spazi necessari a inserire i sensori individuati nel deliverable D2.1 nonché il computer a scheda singola per la gestione dell”informazione
La struttura è stata studiata per consentire l’alloggiamento,in fase realizzativa, di altri dispositivi eventualmente necessari al fine di gestire i segnali provenienti dai sette sensori. Le dimensioni dei sensori in funzione della quale è stato dimensionato l’alloggiamento è riportato nel deliverable D2.1
PIASTRA DI
alloggiamento PER I SENSORI
La piastra illustrata sopra sarà realizzata in alluminio e gli alloggiamenti ricavati tramite taglio laser sulla base del progetto qui descritto. Le dimensioni (22 cm circa di lato) consentono l’alloggiamento di sei sensori in alto e del sensore OPC in basso a sinistra, secondo i rapporti di forma indicati nel deliverable D2.1. In basso a destra verrà posizionata la Raspberry PI, necessaria come risorsa computazionale del dispositivo finale.
SUPPORTO ALTERNATIVO
AL BOX MULTISENSORE
Il box multisensore descritto nel paragrafo precedente può essere montato su strutture preesistenti, sia in muratura o tralicci. In alternativa in questo paragrafo viene riportata la progettazione di un supporto per il box trapezoidale contenente i sensori: in questo caso il box viene montato sulla sommità di un supporto metallico palificato con i dispositivi necessari a fornire più energia di quanta fornita con il pannello descritto sopra.
Il supporto in figura è progettato per servire campagne di misura particolarmente lunghe in zone non coperte da altre fonti di approvvigionamento energetico: i dispositivi energetici di produzione e accumulo sono particolarmente onerosi e l’ampiezza del pannello ha reso necessaria una progettazione statica del palo di supporto che tenga in considerazione l’effetto vela del pannello fotovoltaico. Anche l’accumulo energetico in questo caso è più oneroso e necessita di armadio posto alla base del palo metallico che, dato il peso, dovrà essere palificato.
Questo dispositivo è stato studiato per particolari esigenze di monitoraggio e situazioni più disagiate e meno comode dal punto di vista energetico e logistico.
SINGLE BOARD
COMPUTER
Per acquisire dati provenienti da sensori e strumenti operanti su stazioni remote, può sorgere l’esigenza di piccoli dispositivi in grado di interagire con canali analogici e digitali, effettuando calcoli di base e trasferimento dati. A tal fine, vengono spesso adoperati i computer a scheda singola (SINGLE BOARD COMPUTER) che aiutano a ridurre il costo delle risorse computazionali necessarie e a ridimensionare l’hardware necessario per raccogliere, incapsulare e trasferire i dati acquisiti in situ. Per il progetto ARMONIA viene scelta la Raspberry PI, una scheda particolarmente diffusa e adatta alla prototipizzazione che permette di avere sul device finale risorse computazionali adatte a riformattare il dato prima di inviarlo ai sistemi di immagazzinamento illustrati nel deliverable D5.1. Nella foto di seguito una foto di dettaglio della scheda scelta, con i pin GPIO in alto a sinistra che verranno usati per collegarli ai sensori scelti nel deliverable D2.1.INTRODUZIONE
E FINALITÀ
Replanet si è concentrato sul dimensionamento energetico del prototipo per raggiungere l’efficienza energetica e l’utilizzo del prototipo anche in contesti ambientali ostili, e senza alimentazione elettrica.
La realizzazione di tale dispositivo consentirebbe la messa a punto di un sistema smart impiegabile in altre realtà territoriali per un monitoraggio continuo e diffuso.
Per fare questo si è proceduto con 4 fasi principali:
- Sopralluoghi sul sito individuato per estrapolare i dati di contesto;
- Analisi dei sensori per il rilevamento ambientale e la valutazione delle prestazioni in termini di precisione della misura e del consumo energetico;
- Analisi e sviluppo del prototipo
- Acquisti e montaggio.
Per il progetto Armonia è stato ideato un palo energicamente autosufficiente per permettere l’analisi continuativa della qualità dell’aria tramite appositi sensori. Replanet si è occupata di dimensionare e installare la parte dedicata all’autosufficienza energetica. La scelta è ricaduta sull’utilizzo dell’energia solare per rendere indipendente il palo. Il dimensionamento è stato effettuato per garantire il completo funzionamento con anche 3 giorni di buio completo, analizzando quella che è la peggiore situazione possibile a livello di irraggiamento per quanto riguarda la località scelta.
Il sistema comprende un modulo policristallino da 280 W, una batteria AGM da 220 Ah con una tensione nominale di 12V, un regolatore di carica MPPT in grado di ottimizzare i flussi energetici e garantire la continuità di esercizio, un armadio per contenere batteria e regolatore di carica e quant’altro necessario a rendere funzionante il sistema.
Nella Tabella 1 si riportano i dati utilizzati per la stima della producibilità dell’impianto, in base alla posizione dell’installazione del palo i dati sono stati presi dal sito PVGIS. Per sicurezza è stato considerato il valore minimo di produttività come dato di progetto.
In Tabella 2 è illustrata quella che è la procedura di calcolo seguita per arrivare alla definizione dei componenti dell’impianto precedentemente descritti.
Sono state poi effettuate le verifiche elettriche per la compatibilità fra le componenti (Tabella 3).
Infine si è proceduto all’acquisto dei materiali ed alla realizzazione del prototipo del palo di misura energeticamente autosufficiente (Tabella 4).
Tabella 4
2.3
ANALISI ENERGETICA
| Autore | Biagio De Luca |
| Data di creazione | |
| Ultima revisione | |
| Titolo | D2.3 – Analisi Energetica |
| Soggetto | WP2 – Prototipazione |
| Stato | Completato |
| Editore | REPLANET |
| Tipo | Deliverable |
| Identificazione | D2.3 |
| Descrizione | Analisi e realizzazione dell’efficientamento energetico del prototipo |
| Contributi | Biagio De Luca, Pina Basile, Marcello Cervellino, Davide Andretti |
Tabella 1
Tabella 2
Tabella 3
INTRODUZIONE
E FINALITÀ
Nel presente deliverable viene illustrata la realizzazione della piattaforma/box multisensore progettata secondo quanto riportato nel deliverable D2.2. In questo deliverable verranno quindi esposti i risultati della realizzazione del box multisensore dal punto di vista strutturale. Gli strumenti di acquisizione del dato in situ saranno riportati nel deliverable D5.3 – Interfaccia Sensori nel quale si approfondiranno le soluzioni adottate da un punto di vista elettrico/elettronico e di acquisizione dati.
Al fine di semplificare la consultazione del deliverable, si è scelto di riportare nei primi paragrafi del documento la progettazione del dispositivo, così come illustrata nel deliverable D2.2. Successivamente, attraverso foto dei dettagli realizzativi del box, viene descritto il risultato finale.
PIASTRA DI ALLOGGIAMENTO PER I SENSORI
La piastra illustrata sopra sarà realizzata in alluminio e gli alloggiamenti ricavati tramite taglio laser sulla base del progetto qui descritto. Le dimensioni (22 cm circa di lato) consentono l’alloggiamento di sei sensori in alto e del sensore OPC in basso a sinistra, secondo i rapporti di forma indicati nel deliverable D2.1. Le quote di progetto sono espresse in millimetri.
2.4
REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO ARMONIA
| Autore | Francesco D’Amore |
| Data di creazione | 30 Ottobre 2023 |
| Ultima revisione | 30 Ottobre 2023 |
| Titolo | D2.4 – Realizzazione del prototipo ARMONIA |
| Soggetto | WP2 – Prototipazione |
| Stato | Completato |
| Editore | CNR-IIA |
| Tipo | Deliverable |
| Identificazione | D2.4 |
| Descrizione | |
| Contributi | Francesco D’Amore, Delia Evelina Bruno, Mariantonia Bencardino, Valentino Mannarino |
Nella figura in basso viene riportato un dettaglio di progetto del box multisensore con la piastra di alloggiamento sistemata nella parte inferiore della scatola trapezoidale. Il sistema è altamente modulare e può essere collegato al supporto che contiene quanto necessario per l’autonomia energetica (palo di supporto e pannello fotovoltaico) o usato autonomamente senza alcun supporto. Nell’ultimo caso il box trapezoidale può essere collegato tramite piastra di sostegno a supporti già esistenti. Se usato autonomamente l’energia necessaria al funzionamento deve essere fornita da sorgenti esterne. Nella figura seguente viene riportato il dettaglio del box multisensore esploso nei moduli costitutivi.
BOX MULTISENSORE
Visualizzazione esplosa
REALIZZAZIONE DEL
PROTOTIPO MULTISENSORE
Nel seguente paragrafo verrà descritta la realizzazione del dispositivo come progettato nel deliverable D2.2. Il progetto è stato riproposto nei paragrafi precedenti per semplificare la consultazione
Nella prima immagine viene riportato il dispositivo complessivo, prima della verniciatura con materiale isolante dal punto di vista termico ed elettrico. Al fine di poter modificare velocemente il prototipo e farlo evolvere a partire dalle versioni precedenti, il dispositivo è stato realizzato in alluminio. Una successiva produzione sulla base del prototipo qui illustrato dovrebbe essere realizzata con materiali dalle proprietà più adatte allo scopo (es. il PVC). In fase prototipale, la realizzazione in alluminio ha permesso di poter modificare in fase di studio la scatola e la piastra multi sensore.
Nelle tre immagini sotto si riportano dettagli realizzativi della piastra multi sensore sulla quale sono alloggiati i sensori individuati nel deliverable D2.1. La piastra può essere rimossa dal vano al fine di semplificare le operazioni di montaggio dei sensori o i processi di lavoro in laboratorio necessari a testare e sviluppare il sistema. Oltre ai sensori è possibile integrare schede di acquisizione dati (in figura una Raspberry PI) al fine di dotare il dispositivo finale della necessaria capacità di calcolo e gestione dei dati raccolti. I sensori vengono montati al fine di esporre le superfici atte alla misurazione dei fenomeni da osservare. Il box sensore è dotato di uscite USB e HDMI al fine di poter interfacciare le risorse computazionali interne al box con dispositivi esterni al box stesso.
Nella figura in fondo si riporta il dispositivo mentre acquisisce dati in laboratorio per fini di test e calibrazione. Esula dallo scopo di questo deliverable descrivere l’architettura hardware e software implementata al fine di raccogliere i dati (si veda a tal fine il deliverable D5.3 – Interfaccia Sensori). Con il presente deliverable si vuole illustrare come i sensori sono alloggiati al fine di comporre il sistema finale. Si può notare nell’immagine a lato l’alimentazione del dispositivo che in questo caso usa il pannello fotovoltaico disposto sopra il palo in alluminio, usando il cavo alloggiato nell’anima del dispositivo al fine di fornire l’energia necessaria al funzionamento della scheda di acquisizione (in questo caso un Arduino Due).
06
07
08
09
D2.1
D2.2
D2.3
D2.4
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CNR-IIA
U.O.S. di Rende
Svolge attività di ricerca e sviluppo tecnologico nel campo dell’inquinamento atmosferico su scala regionale e globale e ha un ruolo di leadership nel contesto di progetti e programmi Internazionali, Europei e Nazionali. Opera in partnership con i maggiori Istituti ed Università in Europa, Australia, Oriente, Nord e Sud America.
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Replanet
È un’azienda con sede a Cosenza che opera da anni nel mercato delle energie rinnovabili e dell’efficienza energetica. Replanet promuove la diffusione di comportamenti sostenibili e di applicazioni tecnologiche finalizzate ad un uso razionale delle risorse ambientali ed energetiche.