The Smart Buoy

Summary

L'argomento dell'inquinamento delle acque è stato affrontato dal nostro team per la partecipazione annuale della scuola alla First Lego League, il cui tema quest'anno era l'acqua. Partendo da questo problema abbiamo ricercato una soluzione tecnologica per aiutare la prevenzione dell'inquinamento. La nostra aspettativa sul risultato finale era un dispositivo in grado di svolgere operazioni di analisi di un corso d'acqua ed inviare i dati.

Il metodo utilizzato è stato di una prima stima dei valori da analizzare grazie ad un tecnico ARPAV.

Successivamente abbiamo cercato un modo per poter rilevare e visualizzare in tempo reale questi valori. Abbiamo scelto quindi una scheda Arduino Mega 2560 con appositi sensori per la rilvazione dei parametri da noi scelti e considerati utili. Con un modulo GSM i dati vengono inviati ad un server ospitato dall'azienda francese OVH.it che dispone i dati in tabelle per la visualizzazione. La struttura è realizzata in poliuretano espanso, che ne garantisce il galleggiamento, ricoperto di resina epossidica e fibra di vetro per renderla resitsente agli urti.

L'ultilità di questo progetto  è il fatto che sia adattabile al luogo in cui viene posizionata(fiume, lago, mare...) e che permette una frequente raccolta di dati(ogni 5/10 min) al contrario di un addetto ARPA(3 volte l'anno). Le nostre idee per degli sviluppi futuri sono una dinamo per la ricarica autonoma della batteria, più boe con un apposito server che le ospiti e un sistema di raccolta di campioni per l'analisi.

Speriamo questo progetto sia utile per la salvaguardia del nostro territorio.

Question / Proposal

La prima domanda che ci siamo posti è: "Come poter salvaguardare le acque del nostro territorio?".

Sapendo che la risposta l'avremmo trovata nella realizzazione di un dispositivo tecnologico ed essendo il tema dell'acqua molto legato al nostro territorio, ci siamo subito confrontati con l'agenzia regionale ARPAV  per la salvagardia dell'ambiente visto che il nostro progetto rientra in modo diretto nel loro campo.

L'associazione ci ha esposto un problema, che sta nel fatto che loro effettuano solamente 3 misurazioni all'anno in un corso d'acqua, per monitorare le situazioni di inquinamento e queste hanno un costo esorbitante. Questo fatto porta ad avere delle misurazioni quasi inutili in quanto fatte in momenti troppo distanti uno dall'altro. Il nostro obbiettivo quindi includeva anche il fatto che queste misurazioni fossero continue per una maggiore precisione e facilità nell'individuare la presenza e le fonti di un eventuale inquinamento.

In base agli spunti ed ai parametri da misurare abbiamo ideato la nostra Boa Intelligente. Successivamente allo sviluppo e alla creazione effettiva del progetto sono seguiti i test del server e della sensoristica simulando delle condizioni di reale funzionamento. Dopo che tutto è risultato funzionante, abbiamo quindi collaudato il nostro prodotto in un fiume adiacente alla scuola. In seguito al montaggio ci aspettiamo che funzioni correttamente restituendo valori corretti ed al massimo incorrendo in piccoli intoppi risolvibili senza particolari problemi, simbolo del corretto andamenti dei test e di un fiume in uno stato di salute BUONO come rivelatoci dall'ARPAV.

Research

Abbiamo iniziato la fase di sviluppo ricercando in rete se il nostro progetto potesse essere una cosa innovativa e abbiamo ottenuto un riscontro positivo. La nostra idea è quindi stata completamente pensata e realizzata da noi, non esistendo nel mondo un'altra cosa simile. L'unica cosa a cui abbiamo potuto attenerci sono i dati rilevati da ARPAV per il test ed i vari parametri da misurare.

La ricerca del team sul territorio di applicazione della Boa Intelligente, ha portato ad uno sviluppo del progetto che lo rendesse il più adatto possibile al campo di utilizzo. Ad esempio noi abbiamo cercato di ottimizzare il tutto per un'implementazione in un corso d'acqua. Sono state così messe tre derive per mantenerla orientata in modo corretto in maniera che il sensore di misurazione di velocità del corso fosse parallelo al verso dell'acqua per un corretto funzionamento. Inoltre i sensori sono adatti alla misurazione di parametri fluviali, perciò per applicarla ad altri contesti sarebbe opportuno utilizzare sensoristica diversa.

Ci sono applicazioni reali di qualsiasi tipo per questa idea, tanto che l'associazione ARPAV ha espresso il suo entusiasmo nell'essere a conoscenza del progetto e sarebbe interessata all'utilizzo di questo tipo di apparecchiatura una volta realizzata in modo definitivo e commercializzata.

La validità si ritrova soprattutto nel  fatto che il concetto di base può essere applicabile in moltissimi ambiti in cui possa essere necessaria una rilevazione di dati a distanza. Infatti tutto gira attorno all'idea che da remoto si possono analizzare dati riguardanti l'ambiente, in questo caso su un corso d'acqua, ed in continuazione. La flessibilità di questo progetto, fa si che esso possa essere utilizzato sia da piccole organizzazioni locali che da grandi aziende nazionali o internazionali per la prevenzione e la rilevazione di dati statistici accurati diminuendo i costi di prelievo ed aiutando nella salvaguardia di tutto quello che ci circonda.

Method / Testing and Redesign

I primi risultati si sono visti quasi subito quando i primi sensori hanno iniziato a funzionare, prima di tutto singolarmente e poi anche una volta creato il software dell'insieme e collegati tutti alla scheda Arduino. Ne è stata testata la precisione simulando situazioni reali di cui si conoscevano i riusltati mettendo i sensori in una stanza per i sensori per l'aria e mettendo le sonde in una bacinella per quelli relativi all'acqua. Tutto è risultato negativo ad eventuali problemi di malfunzionamento grave. Solamente alcuni sensori non molto professioali danno a volte risultati vaghi, ma essendo questo un prototipo non si può pretendere il 100% di precisione. Per una maggiore accuratezza bisognerebbe pensare all'acquisto di sensori più costosi e professionali.

Sono poi seguiti i test del server che interpreta le richieste. Abbiamo simulato anche qui una situazione ideale in cui il server riceve una richiesta con una stringa di informazioni completa. Tutto questo viene efettuato tramite il browser. Poi tramite appositi client SSH (Putty) ed FTP (FileZilla) abbiamo effettuato modifiche sul server e caricato l'applicazione programmata in Node.js. Anche qui il server risponde correttamente alle nostre richieste disponendo i dati inviati in tabelle e grafici, individuando la boa in una mappa tramite le coordinate GPS fornite e inviando e-mail di allerta agli amministratori del server in caso di valori fuori norma. Questi valori sono stati stabiliti da noi ed inseriti nella web-app. Anche le e-mail vengono impostate da un'apposita schermata del sito web.

Dopo queste due fasi molto sperimentali e poco pratiche del nostro progetto decidiamo di recarci in un corso d'acqua adiacente alla nostra scuola (il fiume Meschio) per testare la Boa Intelligente, proprio nel fiume per cui è stata pensata. Quindi in una mattinata di pioggia procediamo col vero e proprio test pratico. Uno di noi, munito di stivali, scende in un luogo sicuro del fiume dove l'acqua è abbastanza alta per i vari test, ma non troppo per far in modo che il ragazzo non sia in condizioni di sicurezza. Viene quindi fatta galleggiare la Boa e lasciata in acqua per circa una ventina di minuti. Abbiamo approfittato di questo avvenimento per girare anche un piccolo video. Nel frattempo venivano controllati in diretta i dati inviati dalla boa. Questi sono risultati piuttosto attendibili, complessivamente nella norma e rispettavano i canoni di un corso d'acqua in uno stato BUONO. Questo confronto è stato possibile grazie ai dati fornitici dall'agenzia ARPAV.

Results

Quindi una volta che la boa è stata resa funzionante e sicura a livello di impermeabilità, abbiamo deciso di metterla alla prova. Ci siamo così recati, in un fiume dietro alla scuola di nome Meschio. A questo punto, dopo aver verificato la sicurezza del fondale, uno di noi ragazzi, il quale indossava una tuta da pescatore e quindi impermeabile, è entrato in acqua con la Boa e l'ha trascinata fino ad un punto dove la profondità dell'acqua si aggirava intorno ai 60 cm. Il collaudo è durato circa 20 minuti in modo tale che la Boa riuscisse ad effettuare quattro rilievi.

Però, prima di mostrarvi i dati da essa rilevati, vogliamo farvi una breve illustrazione su ciò che è in grado di misurare la nostra creazione.

La nostra Boa Intelligente si occupa di rilevare i parametri chimico-fisici delle acque, perciò rileva:

  • conducibilità;
  • ossigeno disciolto;
  • Ph;
  • temperatura dell’acqua;
  • velocità dell'acqua;
  • profondità.

Inoltre non si occupa soltanto del monitoraggio dell’acqua, ma rileva anche parametri esterni, come se fosse una piccola stazione meteorologica. Quindi essa misura:

  • temperatura esterna;
  • umidità esterna;
  • polveri sottili PM10.

Ora che avete capito cos’è in grado di fare il nostro progetto, possiamo illustrarvi le quattro rilevazioni che ha compiuto nell’arco di circa 20 minuti (un prelievo ogni 5 minuti).

 

TEMPO(minuti) CONDUCIBILITA'(µS/cm)           
5 321
10 358
15 335
20 349

 

TEMPO(minuti) OSSIGENO DISCIOLTO(%)         
5 96
10 101
15 105
20 98

 

TEMPO(minuti) PH                                                     
5 8.6
10 8.3
15 8.4
20 8.9

 

TEMPO(minuti) TEMPERATURA dell'ACQUA(°C)
5 5.4
10 5.5
15 5.3
20 5.6

 

TEMPO(minuti) PROFONDITÀ(m)                         
5 0.65
10 0.63
15 0.65
20 0.66

 

TEMPO(minuti) VELOCITÁ dell'ACQUA(dm3/s)   
5 5423
10 5289
15 5527
20 5346

 

TEMPO(minuti) TEMPERATURA ESTERNA (°C)   
5 4.5
10 4.9
15 4.2
20 4.3

 

TEMPO(minuti) UMIDITÁ(%)                                   
5 91
10 87
15 88
20 85

 

TEMPO(minuti) PM10(µg/m3)                                  
5 12
10 13
15 12
20 14

 

Quindi una volta completate le quattro rilevazioni le abbiamo confrontate con le più recenti fatte dall'ARPAV e, nonostante i sensori che abbiamo utilizzato non siano professionali, le misurazioni sono rientrate nello stesso livello ambientale ovvero BUONO

STATO AMBIENTALE DESCRIZIONE
ECCELLENTE

La presenza di macroinquinanti, di sintesi e non di sintesi è paragonabile alle concentrazioni di fondo rilevabili nei corpi idrici non influenzati da alcuna pressione antropica. 

BUONO

La presenza di microinquinanti, di sintesi e non di sintesi, è in concentrazioni da non comportare effetti a breve e lungo termine sulle communità biologiche  associate al corpo idrico di riferimento.

SUFFICIENTE

La presenza di microinquinanti, di sintesi e non di sintesi, è in concentrazioni da non comportare effetti a breve e alungo termine sulle communità biologiche associate al corpo idrico di riferimento.

SCADENTE

La presenza di microinquinanti , di sintesi e non di sintesi, è in concentrazioni da comportare effetti a medio e lungo termine sulle communità biologiche associare al corpo idrico di riferimento

PESSIMO

La presenza di microinquinanti, di sintesi e non di sintesi, e in concentrazioni da gravi effetti a breve e lungo termine sulle communità biologiche associate al corpo idrico di riferimento. 

Conclusion

L’intero progetto a partire dalla struttura, passando per l’elettronica fino ad arrivare al software si ferma ad un costo di poche centinaia di Euro precisamente 810€. In realtà questo costo è abbastanza relativo perché attualmente sono utilizzati dei sensori non professionali però con un semplice upgrade della sensoristica si otterrebbe una stazione di rilevamento con una precisione massima.

I vantaggi che si ottengono utilizzando la Smart Buoy sono essenzialmente tre ovvero: la facilità d’utilizzo, i costi ridotti e la flessibilità dell’idea.

Il primo deriva dal fatto che una volta posizionata e accesa sul luogo d’interesse non necessita di nessuna competenza specifica per il posizionamento e gli unici interventi da parte di esperti che richiede sono in caso di allerta o per necessità di manutenzione.

Il secondo vantaggio si realizza considerando che attualmente vengono eseguiti solo tre campionamenti all'anno dagli enti autorizzati, quindi è molto complicato venire a conoscenza delle reali condizioni ambientali delle acque, mentre la Boa Intelligente ne fa quasi 300 al giorno. Inoltre quando viene eseguita una raccolta dati è implicata l'uscita di uno specialista il quale costa migliaia di euro alla volta, invece la Boa Intelligente, a parte in caso di manutenzione o di segnalazione di eventuali parametri anomali, è totalmente autonoma e quindi ha un costo nettamente inferiore rispetto ai metodi attuali.

L'ultimo vantaggio del progetto è il fatto che la Boa Intelligente per mezzo di qualche semplice modifica può ricoprire più campi d'utilizzo; quindi non si limiterebbe 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 che coprono i nostri territori adottassero la Boa Intelligente invece di impiegare i metodi attuali si otterrebbe una maggiore consapevolezza riguardo le condizioni dei nostri fiumi e inoltre si risparmierebbe molto denaro.

Tutte le informazioni riguardanti i range dei parametri da utilizzare, le modalità attuali riguardanti la raccolta dei parametri e le leggi attualmente in vigore in ambito della salvaguardia delle acque le abbiamo raccolte durante delle riunioni con dei tecnici ARPAV (ovvero l'ente che si occupa di tutto ciò nella regione Veneto) svolte nella nostra scuola.

Abbiamo riscontrato successo con il nostro progetto nella partecipazione a competizioni come la First Lego League, il Premio Scuola Digitale e la fiera Automation & Testing di Torino con il premio Industria 4.0. Inoltre siamo stati chiamati a partecipare come espositori alla fiera Maker Faire 2018 di Roma. Molte giurie ed esperti ci hanno anche consigliato di brevettare il nostro progetto.

About me

Il team è formato da tre persone: Marco SolderaRiccardo Dal Molin e Riccardo Tocchetto. Siamo ragazzi che frequentano l'istituto tecnologico di Vittorio Veneto (TV) ed abbiamo intrapreso gli studi nel settore informatico.

Nel tempo libero ci piace dedicarci ad attività di apprendimento col PC quali programmazione e studio di nuovi linguaggi con successiva realizzazione di progetti relativi di solito a quanto assorbito. A scuola abbiamo anche una stampante 3D con cui costruiamo pezzi per personalizzare e rendere più facile l'assemblaggio dei nostri lavori.

Facciamo parte di un gruppo che si dedica ad attività di potenziamento pomeridiane per la partecipazione della scuola a concorsi che riguardano la tecnologia. Ci troviamo tutte le settimane in un laboratorio scolastico per quattro ore al pomeriggio.

Questi premi sicuramente aiuterebbero il gruppo a spingersi a creare nuovi progetti e a sviluppare nuove idee innovative oltre ad aiutare i singoli nell'apprendimento di nuovi argomenti attraverso mezzi più sofisticati e validi.

I membri del team sperano in futuro di poter continuare ad apprendere cose nuove sulla fantastica materia che è l'informatica facendo corsi universitari e di potenziamento delle nostre conoscenze.

Health & Safety

Abbiamo curato la nostra sicurezza partendo dalla realizzazione di un sito sicuro e protetto da login. All'inizio avevamo implementato anche un certificato SSL che è poi stato rimosso a causa di problemi tecnici. Resta comunque l'intenzione di una reintroduzione di questo protocollo di sicurezza come sviluppo futuro.

Nei laboratori per la costruzione della struttura esterna abbiamo sempre indossato camici e occhiali di protezione necessari per regolamento scolastico. Inoltre oggetti che si potessero rovinare o non rispettassero le regole di sicurezza venivano rimossi prima dell'attività. Venivano utilizzate varie macchine utensili fornite di dispositivi di protezione da zone pericolose del macchinario che avrebbero potuto ferirci. Gli occhiali sono stati soprattutto utili durante la levigazione delle superfici del guscio della boa assieme alle mascherine per non respirare la sottile polvere che si è formata. Queste sono state utilizzate anche durante la verniciatura per non inalare fumi tossici emessi dalle bombolette di vernice.

Durante i test che utilizzavano corrente elettrica abbiamo preso precauzioni verso la stessa per evitare scariche dannose con guanti in gomma e staccando le spine prima di operare sui circuiti. Questo protegge sia noi da scosse elettriche che i circuiti da eventuali scariche che li potrebbero rovinare.

I laboratori per la programmazione di Arduino e server hanno computer dotati di login con nome utente e password a noi forniti per ragioni di sicurezza per la navigazione all'interno della rete scolastica.

Materiali e apparecchiatura venivano prima ispezionati dal supervisore per certificarne l'idoneità all'utilizzo senza rischi.

Per le prove pratiche nel corso d'acqua vengono indossati stivali di gomma per evitare il contatto del ragazzo con l'acqua e per potersi spingere su un tratto di fiume adatto ai test. Il tutto viene supervisionato da un'insegnante che ha precedentemente verificato che ci siano le condizioni di sicurezza necessarie.

Tutti i laboratori sono stati utilizzati con la supervisione di un insegnante che in caso di bisogno o necessità è intervenuto per aiutare ed assicurarsi che venissero rispettati i regolamenti di sicurezza. Il supervisore dei laboratori è stato il professor Vittorio Nuvoletta (vittorio.nuvoletta@iisvittorioveneto.it). I laboratori sono di proprietà del nostro istituto (tvis00700p@istruzione.it). Comunque prima dell'inizio di ogni nuova attività ci venivano dettate le regole di sicurezza per lo svolgimento della stessa.

Bibliography, references, and acknowledgements

Da parte del team vanno dei ringraziamenti particolari ai professori Nuvoletta, Cicero, Bortoluzzi e Guglielmi che ci hanno sostenuto e aiutato nello sviluppo dell'idea prima e del progetto successivamente. Il professor Nuvoletta ha anche finanziato piccole spese per accelera i tempi di acquisto di piccoli oggetti come un sensore di temperatura e la scheda SIM. Il professor Cicero ha invece provveduto all'accompagnamento degli studenti a varie uscite, in particolare quella al Maker Faire di Roma. Inoltre ringraziamo anche l'agenzia ARPAV per la spiegazione di quali fossero i parametri fondamentali da monitorare con i relativi range per definire un parametro nella norma e per averci spiegato le basi di questo campo a noi quasi completamente sconosciuto. Esprimiamo la nostra riconoscenza anche nei confronti dei professori Braido che ci ha aiutato nella realizzazione della struttura della Boa e Zanetti che ha effettuato attività di sorveglianza durante i laboratori. Siamo altrettanto grati al nostro compagno Paolo Piccinato per essersi reso disponibile per la realizzazione del video illustrativo.

Ringraziamo la nostra scuola per aver reso disponibili laboratori meccanici, elettronici ed informatici durante i pomeriggi di attività di sviluppo del progetto oltre ad aver reso possibile tutto questo grazie al finanziamento delle spese di acquisto di sensoristica e materiali senza cui non avremmo avuto abbastanza soldi noi studenti per acquistare il tutto. Ringraziamo il nostro istituto anche per aver reso disponibile tutte le attrezzature necessarie.

Ringraziamo i vari siti di confronto dei nostri dati per capire quanto fossero affidabili tra cui quello dell'ARPA Veneto, ilMeteo.it ed altri spazi web che fornissero dati sull'ambiente.

Ringraziamo il sito DFRobot (dfrobot.com) per i codici sorgente fatti ad hoc per la maggior parte delle sonde poi messi assieme per la realizzazione del programma finale in Wiring per interfacciare Arduino con la sensoristica e senza i quali con le nostre sole conoscenze non avremmo potuto scrivere l'intero software. Inoltre ringraziamo anche altri siti come arduino.cc, futurashop.it, adafruit.com che anche loro ci hanno fornito i codici sorgente per i loro sensori.

Ringraziamo lo studio de "La Tenda TV" di Vittorio Veneto per la realizzazione di un video di presentazione in cui è stato utilizzato il green screen per la creazione di un montaggio video più professionale ed esteticamente curato.

Lo sviluppo dell'idea è stato fatto da noi ragazzi anche se tutto è nato dalla partecipazione alla First Lego League e da un nostro insegnante, il professor Vittorio Nuvoletta. E' stato un lungo percorso con delle difficoltà che però alla fine ha trovato un punto di arrivo con una conclusione del prototipo funzionante.

Il team ha svolto autonomamente le procedure di montaggio e testing dei vari pezzi e del progetto finito, chiedendo piccoli aiuti solo in fase di organizzazione e progettazione.

Ringraziamo anche i genitori dei ragazzi del nostro team per averci sostenuto, motivato ed aiutato a rispettare ed essere presenti a tutti gli incontri pomeridiani per la realizzazione del progetto.