La boa intelligente - di Riccardo Dal Molin

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MISURE AMBIENTALI

Riccardo Dal Molin

La boa intelligente

Il progetto di una scuola

THE SMART BUOY This project, that received the 2018 INNOVATION 4.0 AWARD, in the field “High Schools”, provides an answer to the need of efficiently monitoring the rivers’ health. This Smart Buoy performs up to 300 samples per day (instead of the 3 samples/year secured by the competent bodies), does not require any specific competence, and is a low-cost device.

RIASSUNTO Questo progetto, vincitore del PREMIO INNOVAZIONE 4.0 – ed. 2018, nella categoria “Scuole Superiori”, risponde all’esigenza di monitorare in modo più efficace lo stato di salute dei fiumi. La Boa Intelligente consente oltre 300 campionamenti al giorno (contro i tre all’anno attualmente garantiti dagli enti preposti), non richiede alcuna particolare competenza e costa poco.

DA DOVE ARRIVA L’IDEA

L’idea è nata dalla squadra dell’ITT di Vittorio Veneto Città della Vittoria “TOIO ROBOT” (https://toiorobot.it), la quale si è interrogata su come fosse possibile mantenere costantemente monitorati i parametri di salute dei fiumi a un costo relativamente basso. Così la squadra, dopo essersi consultata con tecnici ARPA, è giunta a una conclusione: realizzare una boa con un’apposita sensoristica da posizionare lungo i corsi d’acqua, in grado di comunicare con i professionisti da remoto.

BREVE INQUADRAMENTO NORMATIVO

Figura 1 – La boa intelligente

Prima di addentrarsi nel progetto è necessario capire cosa impone la legge in materia di acque, in modo da comprendere al meglio i punti di forza di questa idea. La direttiva europea 2000/60/CE, la quale istituisce un piano di azione a livello comunitario in materia di ac - que, pone alcuni obiettivi ambientali da raggiungere entro il 22 dicembre 2015. Uno di questi obiettivi è quello d’impedire

il deterioramento, proteggere, migliorare e ripristinare i corpi idrici al fine di raggiungere lo stato “buono”.

Cosa monitorare Conseguentemente, nel D.lgs. 152/2006 sono stati definiti i criteri qualitativi per la classificazione dello stato ecologico, cioè: – elementi di qualità biologica; – elementi di qualità idromorfologica; – elementi di qualità chimico-fisica; – condizioni di ossigenazione, pH, salinità e condizione dei nutrienti; – inquinanti specifici.

Tipologie di monitoraggio Nel D.M. 8 novembre 2010 n. 260 viene stabilita la frequenza di monitoraggio delle acque superficiali, per stabilire un quadro generale del loro stato ecologico e chimico. Sono stati quindi realizzati tre metodi di controllo: monitoraggio di sorveglianza, monitoraggio operativo, mo - nitoraggio d’indagine. Il primo viene eseguito con cadenza sessennale, il secondo è fatto per i corpi idrici classificati a rischio e ha cadenza triennale, mentre l’ultimo viene compiuto per situazioni di allarme o per prevenzione e non è quindi programmato. Dopo aver letto que - sta parte normativa, è facile intuire che i controlli dello stato di salute delle acque vengono eseguiti con scarsa frequenza e, quindi, è difficile prendere eventuali provvedimenti; è proprio per questo motivo che anche dopo la scadenza del 22 di - cembre 2015 nu - merosi ba cini idrici sono tuttora al di sotto dello stato ambientale “buono”.

IL PROGETTO

L’obiettivo progettuale della Boa Intelligente sviluppata è quello di effettuare la raccolta dei parametri chimico-fisici delle acque in un tempo molto più rapido rispetto ai metodi convenzionali,

I.I.S. Città della Vittoria – Vittorio Veneto tvis00700p@istruzione.it

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con maggiore frequenza e, soprattutto, a un prezzo molto più contenuto, considerato che non è necessaria la presenza di un tecnico per fare funzionare l’intero sistema. Infatti, tutti i sensori installati sono gestiti autonomamente da un sistema di controllo basato su una struttura Arduino Mega.

Figura 2 – La struttura della boa

La struttura La forma della Boa mostrata in Fig. 2, ovvero piatta e con una base larga, è stata studiata in modo che essa possa sempre galleggiare nel verso corretto, senza rischiare di ribaltarsi a causa della corrente dell’acqua. La parte interna è realizzata in schiuma poliestere, materiale che galleggia facilmente. Il rivestimento esterno, invece, è realizzato in vetroresina: la fibra scelta è la mat, fra le più resistenti in commercio, mentre il legante utilizzato è una resina epossidica. Inoltre, come si può vedere in Fig. 2, nella parte inferiore sono state installate tre derive, grazie alle quali la Boa si mantiene orientata nel verso corretto della corrente, consentendo al sensore di portata dell’acqua di funzionare regolarmente. Infine è stata aggiunta una “coda”, nella quale posizionare i sensori che devono restare lontani dall’acqua. All’interno è stato previsto un compartimento in cui alloggiare tutta l’elettronica, reso a tenuta stagna per mezzo di una guarnizione posta sul coperchio.

Tutta la sensoristica che deve restare sommersa è alloggiata nel fondo della boa, collegata a manicotti filettati e provvisti di guarnizione. Adottando questa soluzione tutte le sonde sono facilmente rimovibili, senza però perdere d’impermeabilità.

L’elettronica Il nome di Boa “Intelligente” deriva dal fatto che tutto il sistema è monitorato da un controllore programmabile (il “cervello” della boa) basato su un Arduino Mega 2560 R3. È stato scelto l’Arduino Mega sia perché, grazie alla maggiore potenza del microprocessore, è in grado di gestire al meglio l’intera mole di dati che arriva dai vari sensori, sia perché è dotato di molti

Figura 3 – L’elettronica della boa

connettori grazie ai quali riesce a interfacciarsi a tutta la sensoristica. I sensori installati rilevano: – pH; – ossigeno disciolto; – conducibilità; – profondità; – portata; – temperatura dell’acqua; – temperatura esterna;

– umidità dell’aria; – polveri sottili PM10. Si può quindi notare che la boa raccoglie non solo parametri chimico-fisici dell’acqua, ma anche parametri ambientali, consentendo quindi di associare parametri anomali delle acque a eventuali anomalie nei parametri ambientali. I dati raccolti sono poi inviati a un server, per mezzo di un dipositivo GSM Shield V2 con un modulo cellulare provvisto di SIM dati. La SIM utilizzata è da appena 200 MB, grazie al fatto che tutti i messaggi sono costituiti da stringhe dati di pochi byte. Inoltre, la boa è tracciata grazie a un GPS. Tutta questa elettronica è alimentata da un pacco batterie da 9 V.

Il software Per ricevere i dati, elaborarli e avere un’interfaccia che li renda facilmente leggibili, è stata realizzata un’applicazione in rete già predisposta per poter gestire numerose boe. Questa app è stata sviluppata utilizzando un ambiente di esecuzione per codice JavaScript lato server denominata Node js. Così facendo, una volta che al server arriva la stringa con tutti i parametri rilevati, essa viene elaborata dotando ogni grandezzaacquisita della propria unità di misura. Infine, i dati acquisiti vengono ordinati in grafici e tabelle e resi disponibili in un apposito sito web accessibile,attraverso opportune credenziali di accesso, ai soli tecnici addetti al monitoraggio, in modo da rendere il sistema maggiormente sicuro. Sempre dall’applicazione è possibile vedere la posizione del dispositivo, rendendo più agevole il controllo, soprattutto nel caso in cui si utilizzino più boe. Da ultimo, vale la pena notare che la verifica dei valori acquisiti non richiede l’accesso costante al sito:

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infatti, nel caso in cui uno o più valori escano dal campo stabilito dalla legge, viene inviato all’indirizzo e- mail degli addetti un messaggio d’allarme per consentire di gestire l’anomalia riscontrata.

CONCLUSIONI

L’intero progetto a partire dalla struttura, passando per l’elettronica fino ad arrivare al software si ferma a un costo di poche centinaia di Euro: precisamente 810 €. In realtà questo costo non è totalmente realistico, perché attualmente sono utilizzati dei sensori non professionali; però con un semplice upgrade della sensoristica si otterrebbe una stazione di rilevamento con un’accuratezza sensibilmente maggiore. I vantaggi che si ottengono utilizzando la Boa Intelligente sono essenzialmente tre, ovvero: la facilità d’utilizzo, i costi ridotti e la flessibilità dell’idea. Il primo deriva dal fatto che la Boa, una volta posizionata e accesa sul luogo d’interesse, non necessita di nessuna competenza per l’utilizzo e gli unici interventi che richiede sono in caso di allarme o per necessità di manutenzione.

Il secondo vantaggio riguarda il numero di campionamenti effettuabili: attualmente vengono eseguiti solo tre campionamenti all'anno dagli enti preposti e ciò rende estremamente complicato conoscere le reali condizioni ambientali delle acque. Viceversa, la Boa Intelligente arriva a effettuare fino a 300 campionamenti al giorno. Si consideri poi che, attualmente, la raccolta dati richiede la presenza di uno specialista con un costo di migliaia di euro a campionamento. D’altro canto, la Boa Intelligente, a parte il caso dell’ordinaria manutenzione o il caso in cui vengano segnalate anomalie nei parametri acquisiti, è totalmente autonoma e ha quindi un costo incomparabilmente inferiore rispetto al campionamento effettuato da un operatore. L'ultimo vantaggio del progetto è il fatto che la Boa Intelligente, con opportune semplici modifiche, può essere impiegata in altri campi; non si limiterebbe quindi solamente alle acque fluviali ma potrebbe anche essere impiegata in mare o in impianti di depurazione. In conclusione, se tutti gli enti che si occupano di monitorare la salute delle acque impiegassero la Boa Intelligente

invece dei metodi attuali, si otterrebbe una migliore sorveglianza delle condizioni dei nostri fiumi e si risparmierebbe molto denaro. Il breve video dello sviluppo del progetto è scaricabile all’indirizzo: https://drive.google.com/open ?id=18rJ5UCKJtaP6RSxl6uu Fo2hqTXTu7ITj.

Riccardo Dal Molin è un alunno dell’istituto tecnico ITT città della Vittoria di Vittorio Veneto, che frequenta la classe 3 a , indirizzo Informatica e Telecomunicazioni.

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