Il monitoraggio in tempo reale di parametri meteo-ambientali è di primaria importanza per ottenere informazioni locali sul territorio, da utilizzare per una varietà di applicazioni. Storicamente, queste monitoraggio è sempre stato effettuato attraverso un basso numero di stazioni professionali posizionate in luoghi considerati strategici. L’alto costo e la difficoltà di gestione di queste stazioni rende difficile un’ampia diffusione sul territorio.

Il mercato attuale sta facendo emergere una nuova classe di dispositivi a basso costo per il monitoraggio ambientale outdoor, che potrebbero cambiare la maniera in cui l’ambiente viene monitorato, permettendo, ad esempio, anche a privati o piccole aziende di effettuare monitoraggi a costi contenuti in luoghi di loro interesse, od offrendo alle istituzioni pubbliche un monitoraggio più capillare, federando insieme un gran numero di sensori diffusi.

In queste pagine, forniamo un’analisi della situazione attuale, concentrandoci sugli aspetti monitorati nel quadro del progetto TDM.

Nel quadro del progetto verranno sviluppate soluzioni specifiche basate su queste soluzioni, che saranno poi integrate all’interno di una architettura condivisa per l’acquisizione, l’aggregazione, l’analisi dei dati e il loro utilizzo per previsioni.

Analisi del mercato attuale

Per avere un’idea precisa dello stato dell’arte del mercato dei dispositivi a basso costo per il monitoraggio ambientale outdoor legato alle Smart City abbiamo effettuato una preventiva analisi sia di alcuni progetti in corso o conclusi che dei principali fornitori di soluzioni “intelligenti” per le varie tipologie di problemi legati alla gestione delle città metropolitane.

Le iniziative a livello mondiale sono davvero moltissime perché la gestione ottimale dei grandi centri urbani è diventato oramai un bisogno imprescindibile vista la crescente complessità delle problematiche ad esse legate come per esempio; traffico, viabilità, gestione delle emergenze, ottimizzazione dei consumi energetici, riduzione dell’inquinamento etc.

La rivista CIO Review ha pubblicato di recente la lista dei 20 Fornitori di soluzioni Smart City più promettenti per il 2017¹ che rappresenta sicuramente una buona base di partenza per capire la situazione attuale di quello che si può definire un vero e proprio “mercato” in fase di enorme sviluppo. La tabella riassuntiva è riportata qui di seguito, con indicata per ogni fornitore anche la tipologia di soluzione proposta.

A titolo d’esempio, guardando a progetti specifici con finalità similari a quelle del progetto TDM, si possono citare:

• Kansas City, Missouri, con l'aiuto dei partner industriali Cisco, Sprint, Sensint, Sensing Sistemi e Think Big Partner, ha installato un sistema intelligente e connesso per migliorare la vita attraverso app mobili che affrontano le sfide della città. La connettività Wi-Fi è implementata lungo un tratto di 2,2 miglia della linea dei tram cittadini per supportare 25 chioschi interattivi digitali che forniscono ai residenti informazioni sulle attività e gli eventi locali. Inoltre, si è sviluppata una piattaforma di illuminazione intelligente composta da 125 lampioni stradali che riducono il consumo energetico e supportano una migliore tracciabilità del consumo di energia. I partner stanno inoltre sviluppando un "Living Lab" destinato a stimolare un ecosistema imprenditoriale di soluzioni innovative.

• Amburgo, Germania è patria del terzo porto più grande d' Europa, che serve ogni anno circa 10.000 navi. L'autorità portuale di Amburgo (HPA) si è impegnata in uno sforzo pluriennale per la creazione di un'infrastruttura intelligente destinata a modernizzare e migliorare le operazioni portuali, arricchendo nel contempo la qualità della vita per i residenti dell'area. Le iniziative includono un sistema stradale intelligente che monitora e fornisce aggiornamenti sul traffico portuale per alleviare la congestione nell'area, insieme ad un sistema intelligente che facilita il parcheggio avvisando i conducenti dei veicoli da carico degli spazi disponibili in tempo reale. L’autorità portuale si aspetta che l' approccio "IoT" pervasivo possa ridurre i costi operativi del porto del 70% nei prossimi anni.

• Adelaide, Australia, sta sperimentando diversi progetti di tecnologia intelligente in tutta la città per fornire una gamma di servizi in tempo reale ai residenti. Con il monitoraggio ambientale intelligente si stanno raccogliendo dati su parametri ambientali quali l'anidride carbonica, le polveri sottili, il livello di inquinamento sonoro e la temperatura. La disponibilità dei dati in forma “aperta” dovrebbe servire a stimolare la progettazione di soluzioni per migliorare la vivibilità della città. Una applicazione per il parcheggio intelligente consente ai conducenti della città di individuare e pagare il parcheggio tramite smartphone, rende i parcheggi più accessibili e convenienti, e consente al tempo stesso ai gestori della città di monitorare e gestire più efficacemente l'utilizzo delle risorse. Inoltre, anche qui un sistema intelligente di illuminazione della città consentirà una riduzione del consumo energetico attraverso il monitoraggio in tempo reale e la gestione remota automatica e programmabile.

• Beijng, Cina IBM Green Horizons². L’iniziativa di IBM è chiaramente, visti i mezzi di cui può disporre la multinazionale, di enorme portata e si concretizza in iniziative specifiche come per esempio quella nella città di Beijng in Cina³ in cui si vogliono utilizzare le tecnologie IoT e la sensoristica diffusa per migliorare la qualità dell’aria della città che ha raggiunto livelli di inquinamento elevatissimi. Trattandosi di un’iniziativa, per quanto ne sappiamo, con finalità commerciali non si dispone di dettagli tecnici relativamente alla tipologia di sensori che IBM intende utilizzare.

• UK ⁴, EarthSense, è un progetto che ha finalità simili alla inziativa di IBM in Cina e ha lo scopo di monitorare la qualità dell’aria nel paese Britannico utilizzando sensoristica di tipo professionale con costi che partono da 1500 sterline per l’unità di controllo a cui collegare i vari sensori con costi che si aggirano intorno alle 500 sterline. Più specificatamente la centralina che utilizzano è realizzata da air/alphasense⁵, prezzi e caratteristiche dei sensori da loro utilizzati si possono trovare nel documento elencato a piè di pagina⁶.

• Chicago⁷, Array of Things, invece, segue una filosofia simile a quella che intendiamo perseguire in TDM. Si utilizza una piattaforma open per i sensori che si chiama waggle⁸. Alcune informazioni sulla piattaforma e sui costi si possono reperire qui: http://wa8.gl/?page_id=411. Sebbene aperta, una piattaforma di sviluppo che misuri i parametri ambientali di nostro interesse costa circa 1500$. Tuttavia essendo la piattaforma “aperta” si dispone dell’informazione relativa ai sensori utilizzati la cui informazione è riassunta nella seguente tabella. Una linea di sviluppo realistica, per soluzioni più a basso costo, potrebbe essere quella di utilizzare i sensori in tabella o simili, e sviluppare “in-house” una piattaforma basata su arduino e/o raspberry per la loro gestione.

 

Measurement	Purpose/Application	Sensor(s) Used	Prezzo stimato
Carbon Monoxide	Air Quality/Health	SPEC Sensors 3SP-CO-1000	20$
Hydrogen Sulphide	Air Quality/Health	SPEC Sensors IAQ-100	20$
Nitrogen Dioxide	Air Quality/Health	SPEC Sensors 3SP-NO2-20	20$
Ozone	Air Quality/Health	SPEC Sensors 3SP-O3-20	20$
Sulfur Dioxide	Air Quality/Health	SPEC Sensors 3SP-H2S-50	20$
Air Particles	Air Quality/Health (PM 2.5 to ~40)	Alphasense OPC-N2 (included in ~20% of nodes)	450$
Temperature & Humidity	Weather Conditions	Honeywell HIH6130, Measurement Specialties HTU21D	20$
Temperature & Barometric Pressure	Weather Conditions	Bosch BMP180	20$
Humidity	Weather Conditions	Honeywell HIH4030	20$
Temperature	Weather Conditions	Bosch Sensortec BMP180, Measurement Specialties TSYS01, Melexis MLX90614, STMicroelectronics LPS25H, Sensirion SHT25, Texas Instruments TMP112 & TMP421, U.S. Sensor PR103J2	20$
Physical Shock/Vibration	Detect heavy vehicles, shock to street pole (e.g. accident)	Freescale Semiconductor MMA8452Q
Magnetic Field	Detect heavy vehicle flow	Honeywell HMC5883L
Infrared Light	Cloud cover, sunlight intensity	AMS-TAOS USA TSL206RD
Light	Cloud cover, sunlight intensity	LAPIS Semiconductor ML8511, Melexis MLX75305
Ultraviolet Intensity	Cloud cover, sunlight intensity	Silicon Labs Si1145
Visible Light	Cloud cover, sunlight intensity	AMS-TAOS USA TSL250RD, Avago Technologies APDS-9006-020
RMS Sound Level	Sound intensity (loudness)	Knowles SPV1840LR5H-B	1$
Camera	Street conditions, traffic flow, events	ELP-USB500W02M-L 170, ELP-USB500W02M-L 140	51$

Tabella 1: sensori utilizzati nella piattaforma sensoristica Waggle e prezzi stimati dei componenti per i quali siamo riusciti ad ottenere le informazioni relative.

Potenziali soluzioni realizzabili sulla base del mercato attuale

Qui di seguito anializziamo come si possibile costruire centraline di monitoraggio dei parametri ambientali sulla base del mercato attuale, concentrandoci su soluzioni simili a quelle che verranno messe in opera per il progetto TDM.

Centralina BloomSky

Per avere un’idea di come strutturare il contenitore di una centralina autocostruita si può pensare come punto di arrivo a soluzioni adottate da prodotti commerciali di basso costo come per esempio la centralina BloomSky, raffigurata in figura al lato⁹(costo circa 300$).

Questo prodotto è estremamente interessante perché è organizzato con due pannelli solari e una batteria di backup che gli consentono di lavorare in autonomia. La presenza di una webcam, puntata verso il cielo, potrebbe essere di interesse anche per i nostri scopi. Per esempio, si potrebbe sviluppare una metodologia automatica per ricostruire la struttura tridimensionale del campo di nuvolosità anche mediante incrocio con le informazioni sul campo di nuvolosità provenienti dai modelli meteorologici.

Piattaforma Open AirSensEUR

Un’altra possibilità interessante da sondare come potenziale piattaforma di sviluppo è quella offerta da AirSensEUR, piattaforma open data/sw/hw sviluppata nell’ambito di un progetto europeo che si appoggia ad Arduino e gestisce una serie di sensori ambientali. Il report scientifico si può trovare nel documento elencato a piè di pagina¹⁰.

Potenziale interesse rivestono anche sensori di qualità dell’aria per uso domestico personale che si trovano in commercio, quali per esempio

• Speck¹¹, Foobot¹², Uhoo¹³, Dylos¹⁴, TSI AirAssur¹⁵, UB AirSense¹⁶ o Oregon Scientific 10 Autosense¹⁷

Questi device tipicamente rilevano con frequenza di qualche decina di secondi valori di PM1.0 PM 2.5, PM10 e i VOC presenti nell'aria assieme alla temperatura e umidità dell’aria. Vengono venduti come prodotti portatili che possono essere utilizzato anche fuori casa.

In genere i dati sono di tipo qualitativo indicando un livello di qualità dell’aria ma in alcuni è possibile scaricare i dati dal device tramite bluetooth.

In Italia si può citare l’esempio del progetto Smart Healty Environment¹⁸, co-finanziato dalla Regione Toscana, conclusosi nel 2015, nel quale si è sviluppato una innovativa rete di monitoraggio della qualità della vita in funzione della concentrazione di inquinanti e delle condizioni microclimatiche, basata su stazioni fisse e mobili per la città di Pisa.

Monitoraggio polveri sottili low-cost (MEDIUM)

Un interessante progetto low cost, anche solo per scopi didattici, per la realizzazione di un sistema di monitoraggio delle polveri sottili denominato MEDIUM è descritto nel link a piè di pagina¹⁹.

Progetto SmartCitizen

Il progetto, forse più interessante per essere integrato in una infrastruttura come quella di TDM, è forse SmartCitizen (https://smartcitizen.me/), che mette a disposizione il progetto completo per la realizzazione di una stazione di monitoraggio ambientale open hw e sw basata su arduino. Lo Smart Citizen Kit è un hardware composto da un sensore e una scheda per l'elaborazione dati, una batteria e un enclosure. La scheda primaria è dotata di sensori che misurano la composizione dell' aria (CO e NO2), temperatura, umidità, intensità luminosa e livelli sonori. Una volta configurato, il dispositivo trasmette i dati misurati dai sensori tramite Wi-Fi. Il basso consumo energetico del dispositivo consente di posizionarlo su balconi e davanzali. L'alimentazione del dispositivo può essere fornita da un pannello solare e/o da una batteria. Nel sito che descrive il progetto si cita che in questa iniziativa a vario titolo sono state già coinvolte le città di Amsterdam, Manchester e Barcellona.

Le dotazioni di sensori si potrebbero estendere a ricomprendere anche anemometro e pluviometro. In tal caso una buona base di partenza può essere quella offerta da Arduino Weather Station Project²⁰.

Conclusioni

In queste pagine, abbiamo fornito un’analisi della situazione attuale, concentrandoci sugli aspetti monitorati nel quadro del progetto TDM. Questa analisi mostra che esiste un mercato fiorente, all’interno del quale sono disponibili alcune soluzioni di base interessanti, sia per il progetto, sia per una sperimentazione da parte di cittadini, enti pubblici e privait.

Nel quadro del progetto verranno sviluppate soluzioni specifiche basate su queste soluzioni, che saranno poi integrate all’interno di una architettura condivisa per l’acquisizione, l’aggregazione, l’analisi dei dati, la loro validazione, e il loro utilizzo per previsioni.

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