Projeto e desenvolvimento de uma plataforma aberta

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14416 (2022) Citar este artigo

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Cidades ao redor do mundo estão lutando contra a poluição ambiental. As abordagens de monitoramento convencionais não são eficazes para realizar monitoramento ambiental em larga escala devido a questões logísticas e relacionadas a custos. A disponibilidade de dispositivos de Internet das Coisas (IoT) de baixo custo e baixo consumo de energia tem se mostrado uma alternativa eficaz para o monitoramento do ambiente. Esses sistemas abriram oportunidades de monitoramento do ambiente para os cidadãos, ao mesmo tempo em que os confrontam com desafios relacionados à precisão do sensor e ao acúmulo de grandes conjuntos de dados. Analisar e interpretar os dados do sensor em si é uma tarefa formidável que requer amplos recursos computacionais e experiência. Para enfrentar esse desafio, é apresentada uma estrutura de IoT (Soc-IoT) social, de código aberto e centrada no cidadão, que combina um dispositivo de detecção ambiental em tempo real com um aplicativo intuitivo de análise e visualização de dados. O Soc-IoT tem dois componentes principais: (1) Unidade CoSense—um dispositivo modular, portátil e eficiente em termos de recursos, projetado e avaliado para monitoramento ambiental interno e externo, e (2) exploreR—um aplicativo intuitivo de visualização e análise de dados multiplataforma que oferece um conjunto abrangente de ferramentas para análise sistemática dos dados do sensor sem a necessidade de codificação. Desenvolvido como uma estrutura de prova de conceito para monitorar o ambiente em escala, o Soc-IoT visa promover a resiliência ambiental e a inovação aberta, diminuindo as barreiras tecnológicas.

Nos últimos anos, o mundo tem visto um crescimento maciço na urbanização nos níveis regional e nacional. Embora a rápida urbanização tenha levado ao crescimento econômico, também levou à degradação ambiental1. Atividades como o uso excessivo de combustíveis fósseis para produção de energia e o desmatamento para criar mais espaços urbanos já estão contribuindo para a degradação da qualidade do ar. A poluição relacionada ao tráfego (principalmente poluição atmosférica e sonora) também está contribuindo para a degradação do meio ambiente e da saúde. A Organização Mundial da Saúde (OMS) já identificou o ruído relacionado ao trânsito como um risco à saúde pública, pois pode interromper o ciclo do sono humano, aumentar o estresse e levar a transtornos psiquiátricos2. A poluição sonora e do ar não são os únicos efeitos colaterais da urbanização. O uso excessivo de iluminação artificial nas cidades já contribui para a poluição luminosa, o que leva à liberação de mais calor na atmosfera3. A poluição ambiental não se limita apenas aos países em desenvolvimento ou subdesenvolvidos, mas até mesmo os países de alta renda estão sendo afetados adversamente por ela4. De acordo com um relatório da OMS5, a exposição à poluição do ar interior e exterior está fortemente ligada a doenças cardíacas e cardiovasculares. Dentre os diferentes poluentes, sabe-se que o material particulado (PM) é mais perigoso para a saúde humana quando comparado aos componentes gasosos6. Embora tenha havido numerosos esforços de governos e agências de proteção ambiental para combater ameaças como a poluição do ar, houve sucesso limitado na redução dos níveis de poluentes como o PM. Isso se deve principalmente à disponibilidade limitada de dados precisos e detalhados da qualidade do ar para criar políticas eficazes. As redes oficiais de monitoramento utilizadas na maioria dos países do mundo compreendem um número limitado de estações fixas de monitoramento. Eles são precisos, mas cobrem apenas uma área geográfica limitada7. Devido à natureza cara e volumosa de tais estações, não é logisticamente possível fazer uma implantação em massa de tais estações. Da mesma forma, as infraestruturas de monitoramento de ruído são limitadas à natureza cara de sonômetros profissionais e sensores de monitoramento de ruído de baixo custo mal calibrados8.

Agora é mais fácil do que nunca coletar dados ambientais em grande escala, graças ao surgimento do conceito de cidade inteligente. Cidades inteligentes são cidades nas quais a tecnologia da informação e comunicação (TIC) é incorporada ao tecido da cidade para coletar dados com o objetivo de atualizar a infraestrutura e fornecer melhores serviços às pessoas9. Um dos objetivos estratégicos das cidades inteligentes tem sido melhorar a sustentabilidade econômica, social e ambiental10. Para atender às necessidades de sustentabilidade, as cidades inteligentes usam tecnologias que melhoram a qualidade de vida, melhoram as operações e serviços urbanos e promovem o desenvolvimento sustentável11. A Internet das Coisas (IoT) já está acelerando a inovação da cidade inteligente, permitindo que sistemas complicados, como controle de tráfego, monitoramento ambiental e iluminação pública automática, sejam gerenciados usando dados de sensores em rede. O uso de dispositivos IoT incorporados com sensores de baixo custo para monitoramento ambiental aumentou drasticamente nos últimos anos12. Devido ao baixo custo dos sensores, os cidadãos podem acessar essas tecnologias e usá-las para atividades como sensoriamento de multidões, em que um grupo de residentes usa sistemas de detecção de baixo custo para monitorar os arredores e coletar dados acionáveis. A natureza de código aberto das soluções de monitoramento ambiental também contribuiu para o aumento do monitoramento ambiental baseado em IoT. Código aberto refere-se a qualquer programa ou plataforma cujo código-fonte está disponível gratuitamente e pode ser reutilizado e redistribuído13. A aplicação de métodos baseados em multidão em pesquisa aumentou substancialmente na última década10. Isso resultou em um aumento de várias formas de envolvimento da multidão, como crowdsourcing e Citizen Science; o primeiro envolve as pessoas na coleta de ideias e soluções para vários problemas10, enquanto o último permite que as pessoas participem de processos científicos e forneçam informações e contribuições valiosas14. Os sistemas IoT de baixo custo permitiram implantações em larga escala e coleta de dados em resoluções espaço-temporais mais finas, que antes eram impossíveis com sistemas de monitoramento tradicionais devido a restrições logísticas e financeiras15. Esses dispositivos fornecem dados de qualidade do ar em tempo real que podem ser úteis para entender o ambiente e auxiliar os tomadores de decisão na elaboração de melhores políticas de controle da poluição. Existem vários exemplos de como soluções de monitoramento ambiental de baixo custo foram implementadas em todo o mundo para aumentar a conscientização sobre a poluição do ar15,16,17, criar conjuntos de dados sobre a poluição do ar15,18, promover a participação dos cidadãos no monitoramento da qualidade do ar19,20,21 e criar aplicativos para tomada de decisão baseada em dados22,23. O impacto não se limita à sensibilização, mas também ao desenvolvimento de metodologias e tecnologias inovadoras para melhorar o bem-estar dos cidadãos24. Os estudos de Pigliautile et al.25,26 são bons exemplos de como soluções inovadoras como a tecnologia de sensores vestíveis podem ser usadas para investigar tópicos complexos como variações do microclima e conforto do pedestre. Os dados valiosos obtidos através da IoT têm um impacto direto nos serviços baseados em localização fornecidos aos cidadãos. Os dados são fundamentais para a criação de estruturas avançadas de análise de dados de qualidade do ar27,28, sistemas de previsão PM2.529,30,31, ecossistemas para governança ambiental inteligente32,33 e cidades resilientes34.