Sensore di qualità dell’aria: monitorare le micropolveri PM2.5 e PM10

Quello dell’inquinamento atmosferico ed in particolare della presenza, quantificazione e concentrazione delle cosiddette “polveri sottili” è un problema quanto mai attuale, soprattutto nei grossi agglomerati urbani e in prossimità delle grandi aree industriali prospicenti le grandi città.

Per rilevare la qualità dell’aria esistono soluzioni basate su complessi strumenti, equipaggiati con specifici sensori e sulle centraline di analisi che vediamo nelle vie cittadine, installate su pali o a bordo di veicoli parcheggiati a lato delle strade. Accanto a questi apparati che potremmo definire professionali (o istituzionali, se preferite) esiste una lunga schiera di rilevatori più economici e abbordabili da parte del grosso pubblico che vuole compiere le proprie analisi pur senza il sigillo “impèriale” ma comunque con risultati affidabili.

In questo articolo vi faremo conoscere un dispositivo del genere, che è il il sensore laser SDS011 e vi descriveremo come utilizzarlo per misurare la qualità dell’aria dell’ambiente in cui viviamo, visualizzando i risultati della misura su di un Personal Computer.
Il sensore SDS011 è in grado di rilevare e misurare concentrazioni di particelle solide e liquide sospese nell’aria, dette particolato (Particulate Matter-PM), classificate per dimensioni fino a 2,5 µm e fino a 10,0 µm, in gergo tecnico denominate rispettivamente PM2.5 e PM10.

Alcune particelle hanno dimensioni tali da renderle visibili ad occhio nudo mentre altre sono microscopiche. Proprio le particelle più piccole sono di interesse rilevante in quanto facilmente inalabili e quindi assumibili dall’organismo umano. Una volta entrate nel ciclo della respirazione, se la concentrazione di queste particelle è perdurante nel tempo e abbastanza elevata, può produrre effetti dannosi per la salute.

Abbiamo detto che il particolato è classificabile in base alla dimensione misurabile in micrometri, più precisamente alla misura del diametro delle particelle, ma dato che ciò che interessa maggiormente è di rilevare l’ammontare di queste particelle, ossia la loro concentrazione nell’aria, l’unità di misura adottata per la valutazione della concentrazione nell’aria è quella dei microgrammi per metro cubo (µg/m²).

Per darvi un’idea del concetto, la Fig. 1 illustra il confronto dimensionale in micrometri fra particelle di diversa natura; è interessante osservare le dimensioni di un granello di sabbia, mediamente di circa 90 µm, in confronto alle dimensioni delle particelle PM2.5 e PM10.

Fig. 1

Il particolato presente nell’ambiente si genera da processi naturali e umani; il monitoraggio dell’inquinamento dell’aria causato dalle attività umane è un importante indicatore della qualità dell’aria. In molte applicazioni relative al benessere dell’uomo, come ad esempio i sistemi di ventilazione, di condizionamento dell’aria, di purificazione e filtraggio dell’aria, il monitoraggio della concentrazione delle particelle PM2.5 e PM10 è assolutamente doveroso per garantire che queste applicazioni volte al benessere non si trasformino in dannosi effetti per la salute.
La Tabella 1 riporta per fasce di valori e colori gli indicatori della qualità dell’aria CAQI e i corrispondenti valori in μg/m3 delle concentrazioni di O3 (ozono), di NO2 (biossido di azoto) e di particolato PM2.5 e PM10.

Tab. 1

Il CAQI, acronimo di Common Air Quality Index (CAQI) è un indice di qualità dell’aria utilizzato in Europa dal 2006. Nel novembre 2017, l’Agenzia europea dell’ambiente ha annunciato l’indice europeo di qualità dell’aria (EAQI) e per informare il pubblico sulla qualità dell’aria ha iniziato a incoraggiarne la diffusione sui siti Web e su altri mezzi d’informazione.
Il CAQI è un valore numerico su una scala da 1 a 100, in cui un valore basso significa buona qualità dell’aria mentre un valore elevato è indicativa di cattiva qualità dell’aria. Nella prima colonna di sinistra della tabella sono indicati cinque livelli qualitativi dell’aria, corrispondenti alle cinque fasce colorate di valori degli indicatori della qualità dell’aria CAQI. Nelle quattro colonne a fianco degli indicatori CAQI sono specificati i corrispondenti valori standard degli elementi inquinanti in sospensione nell’aria.

Il sensore laser di particolato

Definito che cosa sono le micropolveri, il particolato e quali sono i metodi per stabilirne concentrazione e significato in termini di bontà dell’aria, passiamo a spiegare con quale tecnica funziona il sensore utilizzato nel progetto che presentiamo: si tratta della tecnica a laser.
Un sensore laser è un dispositivo integrato composto essenzialmente dai seguenti elementi: una sorgente di luce laser, una camera di rivelazione, un fotodiodo, un microcontrollore, un’interfaccia di comunicazione e una ventola di aspirazione dell’aria da sottoporre ad analisi, che serve sostanzialmente a prelevare i campioni e portarli nella camera di rivelazione.
La concentrazione di particolato nell’aria viene misurata mediante il conteggio delle particelle mediante il metodo della diffusione di luce denominato in gergo tecnico “light scattering”.
Nella Fig. 2 viene mostrato lo schema di principio del funzionamento di un sensore a laser per la misura di concentrazione delle particelle PM2.5 e PM10.

Fig. 2

La luce emessa dal laser illumina le particelle che vengono raccolte dal sensore mediante l’aspirazione di aria esterna operata dalla ventola interna. Le particelle vengono così trasportate e iniettate nella camera di rivelazione. Nella camera di rivelazione si trova il fotodiodo, il quale converte il livello di luminosità captato, modulato dalla concentrazione di particelle, in un valore di tensione corrispondente, derivante dalle fluttuazioni della corrente inversa a seguito della luce laser.
I valori che la tensione assume in funzione della concentrazione di particelle investite dalla luce del laser, acquisiti e convertiti in valori digitali, vengono analizzati ed elaborati da un microcontrollore. Infine, i risultati dell’analisi e dell’elaborazione sono resi disponibili ad un’interfaccia di comunicazione.

Il sensore laser SDS011

Il sensore SDS011 ha un alto grado di integrazione, considerando che al suo interno vi sono tutti gli elementi necessari per realizzare un sensore a laser ad alta precisione.

L’SDS011 è composto dai seguenti elementi: un diodo laser, un fotodiodo, un microcontrollore, un amplificatore di segnale del fotodiodo a basso rumore, una ventola di aspirazione dell’aria e un’interfaccia di comunicazione che permette di trasformare in impulsi a livello logico la risultanza della misura.

Per la misura della concentrazione delle particelle PM2.5 e PM10 utilizza il metodo “light scattering” mediante l’impiego di una sorgente di luce laser. Anche altri tipi di sensori utilizzano il metodo “light scattering”, ma con l’impiego di diodi all’infrarosso allo scopo di ridurre i costi di produzione, ma è certamente l’utilizzo del laser che garantisce una maggiore precisione di misura rispetto a tali sensori a LED IR.

L’impiego del laser nell’SDS011 consente infatti la possibilità di rilevare concentrazioni di particelle di dimensioni dell’ordine da 0.3 a 10 micron di diametro. I dati di misura rilevati sono quindi stabili ed affidabili. La Fig. 3 mostra il modulo compatto SDS011 le cui dimensioni sono 71×70 mm, spessore 23 mm.

Fig. 3

La Tabella 2 riporta le caratteristiche tecniche dell’SDS011. Si noti l’elevato range di misura da 0 a 999 µg/m3 e la risoluzione di 0,3 micron di rilevazione delle particelle di particolato.
La Tabella 3 riporta la numerazione dei pin del connettore del modulo SDS011, dal quale si applica l’alimentazione e sul quale si trova l’interfaccia di comunicazione.

Tab. 2

L’interfaccia di comunicazione

L’SDS011 può inviare all’esterno, ovvero ad un PC, ad un microcontrollore ecc., i dati di misura del particolato PM mediante l’interfaccia di comunicazione. Dalla Tabella 3, relativa alla descrizione dei pin dell’SDS011, possiamo rilevare che i dati relativi alle misure di PM2.5 e PM10 possono essere rilevati mediante la misura dei segnali impulsivi PWM di uscita e l’interfaccia di comunicazione seriale UART.

Tab. 3

Riguardo alla misura di segnali PWM i pin interessati sono: il pin 2 “1um” per la misura del particolato PM2.5 e i pin 4 “25 µm” per la misura del particolato PM10. In sostanza, con frequenza di ripetizione dell’impulso costante, la misura della larghezza dell’impulso del segnale PWM determina il valore in µg/m³ del particolato. La Fig. 4 illustra il concetto in forma grafica.

Fig. 4

La Tabella 4 elenca i parametri dei segnali di uscita PWM. L’interfaccia seriale UART è il sistema di comunicazione che ci interessa, in quanto la utilizzeremo per raccogliere ed inviare al PC i dati di misura del PM.

Tab.4

Il protocollo di comunicazione UART dell’SDS011 deve essere impostato sul PC con questi parametri di comunicazione: bit rate di 9600 bps, dato a 8 bit, nessun bit di parità, un bit stop.
Ancora con riferimento alla Tabella 3, i pin interessati alla connessione dell’UART sono: il pin 6 “R” RX TTL e il pin 7 “T” TX TTL. La Tabella 5 elenca in ordine numerico progressivo di trasmissione i byte dei valori digitali risultati di misura del PM2.5 e PM10 che l’interfaccia di comunicazione seriale UART dell’SDS011 trasmette alla UART del PC.

Tab. 5

Set-up di misura del PM2.5 e PM10
con l’SDS011 e il PC

Per realizzare il sistema di misura del PM2.5 e PM10 occorre hardware e software.
Relativamente all’hardware necessita semplicemente un modulo SDS011, un convertitore USB-seriale e un PC. Il modulo SDS011 è possibile acquistarlo direttamente dai prodotti a lato articolo ed include anche il convertitore USB-seriale. Per quanto riguarda il software, questo è scaricabile dal link in fondo alla pagina.

E’ possibile scaricare i file compressi “Nova PM2.5 Sensor Software-En-V1.88.zip“ del programma per la visualizzazione dei grafici dei risultati delle misure e “CH341SER.zip” del driver del convertitore USB-seriale.

Una volta disponibile l’hardware e il software si procede innanzitutto al collegamento del connettore del modulo SDS011 al connettore del convertitore USB-seriale, collegando poi il connettore USB del convertitore USB-seriale ad una porta USB del PC. Collegato l’hardware si procede all’installazione del software iniziando con l’installazione del driver del convertitore USB-seriale scompattando il file “CH341SER.zip” e avviando il file esecutivo “setup.exe”.

Prima di procedere con l’installazione del programma è necessario accertarsi che il driver del convertitore USB-seriale sia stato effettivamente installato con successo. Per fare questo, basta andare nella gestione delle periferiche del PC verificando che nell’elenco “Porte (COM e LPT)” sia presente una porta COM USB-to-serial identificabile dal nome del driver CH341SER, come mostrato nella Fig. 5, che nell’esempio è la COM13.

Fig. 5

Successivamente si installerà il programma di gestione dell’SDS011 per l’acquisizione e visualizzazione dei dati di misura scompattando il file “Nova PM2.5 Sensor Software-En-V1.88.zip“ e avviando il file “SPM25Data.exe”. Avviato il programma sul monitor del PC apparirà la schermata di configurazione del sensore SDS011 come mostrato nella Fig. 6.

Fig. 6

Il programma identificherà il dispositivo sensore connesso che apparirà in testa nell’elenco dei dispositivi, o, eventualmente non fosse presente, selezionarlo manualmente dall’elenco. Il programma rileverà altresì automaticamente anche la porta di comunicazione, ad esempio la COM13, per mezzo della quale avverrà la comunicazione seriale fra il PC ed il sensore SDS011.

Una volta apparsa la COM nella “Com List” occorrerà premere il pulsante “Add>>” per associarla al sensore SDS011 presente nella “Device List”. Nell’eventualità che nessuna porta COM fosse presente nella “Com List”, è possibile effettuare manualmente la ricerca di una porta COM selezionando il pulsante “Manually serial port”, dopodiché si seleziona il dispositivo nella “Device List” e la porta seriale corrispondente che appare nella “Com List”, come si può rilevare nella Fig. 6. Infine si deve cliccare su “Add>>”.

Terminata la configurazione di associazione del dispositivo sensore alla porta COM si clicca su “OK” per avviare il programma di misura. Lo schermo del PC mostrerà per impostazione predefinita il grafico dell’andamento nel tempo dei valori di PM2.5 in µg/m³ (Fig. 7).

Fig. 7

Si notino, con fondo scala impostato a 30 µg/m³, i valori molto bassi di PM2.5, inferiori a 4 µg/m³, che rivelano un’ottima qualità dell’aria presente nell’ambiente di misura, ovvero valori contenuti all’interno del range 0-15 µg/m³ relativo alla fascia di bassi valori di PM2.5 della Tabella 1 dei valori europei della qualità dell’aria.

Dall’elenco “Display Mode” selezionare “PM10 for all devices” per visualizzare il grafico del PM10, o ancora, il pulsante “PM2.5 and PM10…” per ottenere il grafico della misura contemporanea dei valori di PM2.5 e PM10 in µg/m³. Nella Fig. 8 è riportato questo grafico.

Fig. 8

Nel grafico della stessa Fig. 8, ancora con fondo scala di 30 µg/m³, si rilevano valori di PM10 superiori a quelli del PM2.5, ma non superiori a 20 µg/m³, ossia, contenuti all’interno del range 0-25 µg/m³ relativo alla fascia di bassi valori di PM10 della Tabella 1 (valori europei della qualità dell’aria). Ulteriori informazioni sull’installazione, configurazione e utilizzo dell’SDS011, possono essere desunte dalla “User Guide” che si trova nella cartella “Nova PM2.5 Sensor Software-En-V1.88”.

Conclusioni

Il progetto o meglio, l’applicazione presentata in queste pagine è il punto di partenza per la realizzazione di sistemi combinati in grado di analizzare la qualità dell’aria e potrebbe essere abbinato a un misuratore della percentuale di CO2. Il tutto potrebbe essere integrato con una stazione meteo per ottenere un monitoraggio globale dei parametri ambientali indoor/outdoor.

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