Progettazione e sviluppo di un open

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14416 (2022) Citare questo articolo

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Le città di tutto il mondo sono alle prese con l’inquinamento ambientale. Gli approcci di monitoraggio convenzionali non sono efficaci per intraprendere un monitoraggio ambientale su larga scala a causa di problemi logistici e legati ai costi. La disponibilità di dispositivi Internet of Things (IoT) a basso costo e a basso consumo si è rivelata un’alternativa efficace al monitoraggio dell’ambiente. Tali sistemi hanno aperto opportunità di monitoraggio ambientale ai cittadini e allo stesso tempo li hanno confrontati con sfide legate alla precisione dei sensori e all’accumulo di grandi set di dati. Analizzare e interpretare i dati dei sensori stessi è un compito arduo che richiede ampie risorse e competenze computazionali. Per affrontare questa sfida, viene presentato un framework IoT (Soc-IoT) sociale, open source e incentrato sul cittadino, che combina un dispositivo di rilevamento ambientale in tempo reale con un'applicazione intuitiva di analisi e visualizzazione dei dati. Soc-IoT ha due componenti principali: (1) CoSense Unit, un dispositivo efficiente in termini di risorse, portatile e modulare, progettato e valutato per il monitoraggio ambientale interno ed esterno, e (2) exploreR, un'intuitiva applicazione di analisi e visualizzazione dei dati multipiattaforma che offre un set completo di strumenti per l'analisi sistematica dei dati dei sensori senza la necessità di codifica. Sviluppato come quadro di prova per monitorare l’ambiente su larga scala, Soc-IoT mira a promuovere la resilienza ambientale e l’innovazione aperta abbassando le barriere tecnologiche.

Negli ultimi anni, il mondo ha assistito a una crescita massiccia dell’urbanizzazione a livello regionale e nazionale. Sebbene la rapida urbanizzazione abbia portato alla crescita economica, ha portato anche al degrado ambientale1. Attività come l’uso eccessivo di combustibili fossili per la produzione di energia e la deforestazione per creare più spazi urbani stanno già contribuendo al degrado della qualità dell’aria. Anche l’inquinamento legato al traffico (soprattutto atmosferico e acustico) contribuisce al degrado dell’ambiente e della salute. L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha già identificato il rumore legato al traffico come un rischio per la salute pubblica poiché può interrompere il ciclo del sonno umano, aumentare lo stress e portare a disturbi psichiatrici2. Il rumore e l'inquinamento atmosferico non sono gli unici effetti collaterali dell'urbanizzazione. L’uso eccessivo dell’illuminazione artificiale nelle città contribuisce già all’inquinamento luminoso, che porta al rilascio di più calore nell’atmosfera3. L’inquinamento ambientale non si limita solo ai paesi in via di sviluppo o sottosviluppati, ma anche i paesi ad alto reddito ne vengono colpiti negativamente4. Secondo un rapporto dell’OMS5, l’esposizione all’inquinamento atmosferico indoor e outdoor è fortemente legata alle malattie cardiache e cardiovascolari. Tra i diversi inquinanti, è noto che il particolato (PM) è più pericoloso per la salute umana rispetto ai componenti gassosi6. Sebbene siano stati compiuti numerosi sforzi da parte dei governi e delle agenzie di protezione ambientale per combattere minacce come l’inquinamento atmosferico, il successo nella riduzione dei livelli di inquinanti come il particolato è stato limitato. Ciò è dovuto principalmente alla disponibilità limitata di dati accurati e dettagliati sulla qualità dell’aria per creare politiche efficaci. Le reti di monitoraggio ufficiali utilizzate nella maggior parte dei paesi del mondo comprendono un numero limitato di stazioni di monitoraggio fisse. Sono accurati ma coprono solo un’area geografica limitata7. A causa della natura costosa e ingombrante di tali stazioni, non è logisticamente possibile effettuare un dispiegamento di massa di tali stazioni. Allo stesso modo, le infrastrutture per il monitoraggio del rumore si limitano alla natura costosa dei fonometri professionali e dei sensori di monitoraggio del rumore a basso costo e scarsamente calibrati8.

Oggi è più facile che mai raccogliere dati ambientali su larga scala, grazie alla diffusione del concetto di città intelligente. Le città intelligenti sono città in cui le tecnologie dell'informazione e della comunicazione (TIC) sono integrate nel tessuto urbano per raccogliere dati allo scopo di potenziare le infrastrutture e fornire servizi migliori alle persone9. Uno degli obiettivi strategici delle città intelligenti è stato quello di migliorare la sostenibilità economica, sociale e ambientale10. Per soddisfare le esigenze di sostenibilità, le città intelligenti utilizzano tecnologie che migliorano la qualità della vita, migliorano le operazioni e i servizi urbani e promuovono lo sviluppo sostenibile11. L’Internet delle cose (IoT) sta già accelerando l’innovazione delle città intelligenti consentendo la gestione di sistemi complicati come il controllo del traffico, il monitoraggio ambientale e l’illuminazione stradale automatica utilizzando i dati provenienti da sensori collegati in rete. L’utilizzo di dispositivi IoT dotati di sensori a basso costo per il monitoraggio ambientale è aumentato notevolmente negli ultimi anni12. Grazie al basso costo dei sensori, i cittadini sono stati in grado di accedere a queste tecnologie e utilizzarle per attività come il rilevamento della folla, in cui un gruppo di residenti utilizza sistemi di rilevamento a basso costo per monitorare l’ambiente circostante e raccogliere dati utilizzabili. Anche la natura open source delle soluzioni di monitoraggio ambientale ha contribuito all’aumento del monitoraggio ambientale basato sull’IoT. Open source si riferisce a qualsiasi programma o piattaforma il cui codice sorgente sia liberamente disponibile e possa essere riutilizzato e ridistribuito13. L’applicazione dei metodi crowd-based nella ricerca è aumentata sostanzialmente negli ultimi dieci anni10. Ciò ha comportato un aumento di varie forme di coinvolgimento della folla, come il crowdsourcing e la Citizen Science; il primo coinvolge le persone nella raccolta di idee e soluzioni a diversi problemi10, mentre il secondo consente alle persone di partecipare ai processi scientifici e fornire input e contributi preziosi14. I sistemi IoT a basso costo hanno consentito implementazioni su larga scala e raccolta dati con risoluzioni spazio-temporali più precise, che in precedenza erano impossibili con i sistemi di monitoraggio tradizionali a causa di vincoli logistici e finanziari15. Questi dispositivi forniscono dati sulla qualità dell’aria in tempo reale che possono essere utili per comprendere l’ambiente ambientale e assistere i decisori nell’elaborazione di politiche migliori per il controllo dell’inquinamento. Ci sono stati diversi esempi di come soluzioni di monitoraggio ambientale a basso costo siano state implementate in tutto il mondo per aumentare la consapevolezza sull’inquinamento atmosferico15,16,17, creare set di dati sull’inquinamento atmosferico15,18, promuovere la partecipazione dei cittadini al monitoraggio della qualità dell’aria19,20,21 e creare applicazioni per un processo decisionale basato sui dati22,23. L'impatto non si limita alla sensibilizzazione, ma anche allo sviluppo di metodologie e tecnologie innovative per migliorare il benessere dei cittadini24. Gli studi di Pigliautile et al.25,26 sono buoni esempi di come soluzioni innovative come la tecnologia di rilevamento indossabile possano essere utilizzate per indagare argomenti complessi come le variazioni del microclima e il comfort dei pedoni. I preziosi dati raccolti in crowdsourcing tramite l’IoT hanno un impatto diretto sui servizi basati sulla posizione forniti ai cittadini. I dati sono fondamentali per creare quadri avanzati di analisi dei dati sulla qualità dell’aria27,28, sistemi di previsione del PM2.529,30,31, ecosistemi per la governance intelligente dell’ambiente32,33 e città resilienti34.