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Estudo e desenvolvimento de um sensor sem fio inteligente para monitoramento distribuído de poluentes atmosféricos no contexto de cidades inteligentes

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Villarim, Mariana Rodrigues
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal da Paraíba
Brasil
Engenharia Elétrica
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
UFPB
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/20464
Resumo: Air pollution is directly related to the cause and aggravation of various diseases, in addition to causing ecological damage to the environment. According to the World Health Organization (WHO), it is estimated that 4.2 million deaths are attributed to air pollution each year and 91% of the world’s population lives in places that exceed indicated air quality limits. In this work, an intelligent wireless sensor for atmospheric pollutants, specifically Particulate Matter (PM) and gases, such as Methane (CH4) and Carbon Monoxide (CO), was developed in order to alert the population and enable the control of pollutants emissions. The developed sensor will be part of a Wireless Sensor Network (WSN) distributed by the main avenues of the city of João Pessoa-PB, where it will be possible to identify routes, times and days of weeks with the highest pollution rates. The wireless communication technology adopted was LoRa, which was evaluated in urban and forest environments. In this work, the PPD42NS sensor was used, which uses the light scattering method to detect particles, and the MQ family sensors, which present cross sensitivity and form an Electronic Nose, capable of detecting various gases with the support of an pattern recognition algorithm. The PPD42NS sensor was subjected to a calibration process using the reference equipment, HiVol 3000, to correct its measured values. Furthermore, considering that one of the main factors in the development of WSN is the limited supply of energy to power the sensor nodes, this work proposes a reduction in the energy consumption of the sensor by replacing some of its electronic components with digital processing, calibrating the analog output from the digital output. The linear correlation values obtained in the two experiments were greater than 0.9, indicating a strong association between the variables. Experiments were performed with the gas sensors from the MQ family for calibration in clean air and then they were exposed to odorous substances. Each sensor reacts specifically to the detection of odors, making it possible to identify the gases through pattern recognition. The data obtained were trained, tested and validated via Artificial Neural Network (ANN), where it was possible to identify the different patterns, differentiating alcohol, water and air, with an accuracy above 98% at the output.
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In this work, an intelligent wireless sensor for atmospheric pollutants, specifically Particulate Matter (PM) and gases, such as Methane (CH4) and Carbon Monoxide (CO), was developed in order to alert the population and enable the control of pollutants emissions. The developed sensor will be part of a Wireless Sensor Network (WSN) distributed by the main avenues of the city of João Pessoa-PB, where it will be possible to identify routes, times and days of weeks with the highest pollution rates. The wireless communication technology adopted was LoRa, which was evaluated in urban and forest environments. In this work, the PPD42NS sensor was used, which uses the light scattering method to detect particles, and the MQ family sensors, which present cross sensitivity and form an Electronic Nose, capable of detecting various gases with the support of an pattern recognition algorithm. The PPD42NS sensor was subjected to a calibration process using the reference equipment, HiVol 3000, to correct its measured values. Furthermore, considering that one of the main factors in the development of WSN is the limited supply of energy to power the sensor nodes, this work proposes a reduction in the energy consumption of the sensor by replacing some of its electronic components with digital processing, calibrating the analog output from the digital output. The linear correlation values obtained in the two experiments were greater than 0.9, indicating a strong association between the variables. Experiments were performed with the gas sensors from the MQ family for calibration in clean air and then they were exposed to odorous substances. Each sensor reacts specifically to the detection of odors, making it possible to identify the gases through pattern recognition. The data obtained were trained, tested and validated via Artificial Neural Network (ANN), where it was possible to identify the different patterns, differentiating alcohol, water and air, with an accuracy above 98% at the output.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESA poluição atmosférica está diretamente relacionada à causa e ao agravamento de diversas doenças, além de causar danos ecológicos ao meio ambiente. De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), estima-se que, a cada ano, 4,2 milhões de mortes são atribuídas à poluição atmosférica e 91% da população mundial reside em locais que excedem os limites indicados de qualidade do ar. Neste trabalho foi desenvolvido um sensor sem fio inteligente de poluentes atmosféricos, especificamente de Material Particulado (MP) e de gases, como o Metano (CH4) e Monóxido de Carbono (CO), a fim de alertar a população e possibilitar o controle de emissões de poluentes. O sensor desenvolvido fará parte de uma Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) distribuída pelas principais avenidas da cidade de João Pessoa-PB, onde será possível identificar rotas, horários e dias de semanas com os maiores índices de poluição. A tecnologia de comunicação sem fio adotada foi a LoRa, a qual foi avaliada em ambientes urbano e florestal. Neste trabalho, foi utilizado o sensor PPD42NS, que usa o método de espalhamento de luz para detecção de partículas, e os sensores da família MQ, que apresentam sensibilidade cruzada e formam um Nariz Eletrônico, capaz de detectar diversos gases com o auxílio de um algoritmo de reconhecimento de padrões. O sensor PPD42NS foi submetido a um processo de calibração a partir do equipamento de referência, HiVol 3000, para correção os seus valores de medição. Além disso, considerando que um dos principais fatores no desenvolvimento de RSSF é o fornecimento limitado de energia para alimentar os nós sensores, este trabalho propõe uma redução no consumo de energia do sensor a partir da substituição de alguns dos seus componentes eletrônicos pelo processamento digital, calibrando a saída a partir da saída digital. Os valores de correlação linear obtidos nos dois experimentos foram superiores a 0,9, indicando uma forte associação entre as variáveis. Com os sensores de gás da família MQ foram realizados experimentos para calibração em ar limpo e, em seguida, foram expostos a substâncias odorantes. Cada sensor reage de forma específica ao detectar odores, tornando possível a etapa de identificação dos gases através de reconhecimento de padrões. Os dados obtidos foram treinados, testados e validados via Rede Neural Artificial (RNA), em que foi possível identificar os diferentes padrões, diferenciando álcool, água e ar, com precisão acima de 98% na saída da rede.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia ElétricaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFPBSouza, Cleonilson Protásio dehttp://lattes.cnpq.br/5635983022553950Villarim, Mariana Rodrigues2021-07-22T15:26:11Z2021-02-012021-07-22T15:26:11Z2020-12-16info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/20464porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2022-08-10T11:11:52Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/20464Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| bdtd@biblioteca.ufpb.bropendoar:2022-08-10T11:11:52Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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