Proposta de métodos e arquiteturas IoT para ambientes de vida melhorados
1. Sistema baseado em IoT para monitorização de partículas em ambientes interiores
O método proposto tem por objetivo o desenvolvimento de uma arquitetura IoT para ambientes de vida melhorados através da monitorização em tempo real de PM. Este método utiliza um sensor PMS5003 de baixo custo que incorpora capacidade sensorial para medição do valor de partículas suspensas no ar com um diâmetro menor ou igual a 10 micrómetros (≤PM10), 2,5 micrómetros (≤PM2 .5) e 1,0 micrómetros (≤PM1.0).
A PM pode ser definida como uma combinação multifacetada de partículas sólidas e liquidificadas de material biológico e mineral suspensas no ar e é, portanto, mencionada por vários investigadores como o poluente que afeta mais indivíduos [58], [59]. A PM inclui partículas, fumo e gotículas que são capazes de penetrar nas vias respiratórias dos seres humanos e podem causar efeitos negativos à saúde. A exposição à PM em ambientes interiores aumenta o risco de infeções respiratórias graves e mortalidade associada a crianças pequenas, mas também representa um importante fator de risco para doença cardiovascular, doença pulmonar obstrutiva crônica e cancro do pulmão na população adulta. Os efeitos da PM observados na saúde incluem aumento de problemas respiratórios, diminuição da função pulmonar, aumento das hospitalizações, doenças respiratórias e cardiovasculares, aumento da morbidade respiratória medida pelo absenteísmo no trabalho e aumento da mortalidade por doenças cardiopulmonares [60].
Em ambientes interiores, os efeitos na saúde das partículas biológicas inaladas podem ser significativos, uma vez que estes espaços possuem uma grande variedade de materiais biológicos. Um dos principais constituintes do fumo são partículas respiráveis. Estes são aerossóis com um diâmetro reduzido o suficiente para entrar e permanecer nos pulmões, muitos com diâmetro igual ou inferior a 6-7 micrómetros [29].
xxxiii
Consequentemente, o método proposto assume-se como uma relevante ferramenta avançada para exploração de dados e de apoio à decisão e ao diagnóstico médico que pode ser apoiado por dados históricos de exposição à PM no local onde o paciente vive. Este método centra-se na monitorização em tempo real das concentrações de partículas para melhorar a saúde ocupacional.
A arquitetura IoT proposta é composta por um protótipo de hardware para aquisição de dados ambiente e um portal Web desenvolvido em .NET para exploração de dados. O módulo de aquisição de dados é baseado em tecnologias de código aberto e recorre a tecnologia Wi-Fi para ligação à Internet, com várias vantagens em comparação com sistemas existentes, tais como modularidade, escalabilidade, baixo custo e fácil instalação. Os dados são armazenados numa base de dados SQL SERVER com recurso a serviços Web .NET. O módulo de aquisição de dados integra um microcontrolador WEMOS D1 com tecnologia de comunicação Wi-Fi integrada como unidade de comunicação e processamento e incorpora um sensor PMS5003 como unidade de sensorial.
A consulta de dados é realizada através de software Web desenvolvido em ASP.NET. Após a autenticação é possível aceder aos dados de exposição à PM. Os dados recolhidos podem ser consultados em formato tabela ou gráfico. Além disso, a Framework Web é responsável por guardar o histórico dos dados. O histórico dos dados de exposição à PM possibilita uma análise avançada de padrões da qualidade do ar. Esta Framework integra um gestor de alertas que envia notificações, via e-mail, quando um parâmetro específico excede a taxa máxima. Os dados recolhidos são analisados antes de serem inseridos na base de dados e no caso de excederem os limites parametrizados são enviadas notificações. Em resultado, é possível agir em tempo real, o que conduz à conceção de ambientes de vida melhorados. O método proposto é confiável e de baixo custo e pode ser facilmente configurado e instalado pelo utilizador final. Em comparação com outros métodos do estado da arte, a arquitetura proposta fornece uma plataforma Web para consulta de dados e notificações sendo relevante para apoiar o planeamento de intervenções no edifício e incluí partilha de dados com a equipa médica. Tendo em conta que tipicamente ocupamos cerca de 90% do tempo em ambientes interiores, é necessário monitorizar o nível de PM para o planeamento de mudanças de hábitos e até mesmo intervenções na ventilação para a conceção de ambientes de vida melhorados. Este sistema faz uma contribuição significativa em comparação com os sistemas existentes de monitorização da qualidade do ar devido ao seu baixo custo de construção, facilidade de instalação, modularidade, escalabilidade e fácil acesso aos dados de monitorização em tempo real através da Web.
Em contraste com a maioria das soluções de disponíveis no estado da arte que têm de ser instaladas por profissionais especializados, a arquitetura proposta pode ser configurada e instalada pelo utilizador final. Esta arquitetura permite a escalabilidade do sistema,
xxxiv
proporcionando flexibilidade e capacidade de expansão, já que o espaço pode começar a ser monitorizado com apenas um módulo de aquisição de dados e outros módulos podem ser adicionados conforme as necessidades e a complexidade do espaço em particular.
Os resultados dos testes revelam que o método proposto fornece uma avaliação eficaz do PM e evita o risco de exposição. De facto, os níveis de PM podem ser extremamente diferentes dos que são considerados saudáveis. Portanto, a arquitetura proposta é uma ferramenta útil para monitorizar os níveis de PM e garantir a sua categorização. Os resultados permitem também concluir que os ocupantes só se apercebem das más condições da qualidade do ar em situações extremas, por isso, com recurso a este novo método, é possível detetar e corrigir os problemas em tempo útil.