As cidades são ímãs poderosos para as pessoas. De acordo com as Nações Unidas, quase metade da população do planeta vive em uma conurbação de mais de 500.000 pessoas e esse número deve aumentar para mais de dois terços até 2050. Além disso, o número de megacidades - aquelas com populações superiores a 10 milhões - aumentou de 10 em 1990 para 28 hoje e prevê-se que aumente para 41 até 2030.
Por Steven Mantendo para Mouser Electronics
Editado em 25 de junho de 2020 (publicado originalmente em 3 de junho de 2019) – Traduzido para o português em outubro de 2021 para este site com permissão da Mouser Electronics
Isso não é necessariamente uma má notícia. Metrópoles bem administradas estimulam o desenvolvimento econômico e melhoram as perspectivas de emprego, habitação, eletricidade, água, saneamento, transporte, saúde e educação para seus habitantes. E fornecer serviços é muito menos caro e ambientalmente mais sustentável do que para uma população rural.
Mas as cidades têm problemas que se multiplicam à medida que seu tamanho aumenta. Um dos mais intratáveis é o congestionamento do tráfego. O congestionamento obstrui as artérias da cidade e paralisa o processo econômico, mas seu impacto na saúde humana é ainda pior. O tráfego bombeia continuamente emissões nocivas, incluindo partículas atmosféricas (PM) de 2,5 µm de diâmetro (e menos) no ar. Esta poluição PM2.5 penetra profundamente nos pulmões e é considerada a mais perigosa para a saúde.
As tentativas convencionais de controlar o tráfego para limitar a poluição - como cobrança de congestionamento ou evitar que certos veículos viajem em determinados dias - são complicadas e não levam em consideração fatores como clima e condições transitórias de tráfego, como obras nas estradas ou acidentes.
Mas agora, a implantação generalizada de sensores comerciais de qualidade do ar - conectados sem fio à Internet das Coisas (IoT) por meio de redes de área sem fio de baixa potência (LPWANs) - promete gerar os dados refinados de que os planejadores urbanos precisam para ser mais reativos ao aumento (e eliminação) da poluição atmosférica. Algumas autoridades pioneiras estão adotando a IoT incipiente para limpar o ar de suas cidades, mas muito mais precisa ser feito para implementar sistemas de controle de poluição adequados às cidades inteligentes de amanhã.
Carmaggedon
A linha de produção de Henry Ford sediada nos EUA é creditada com a introdução da mobilidade independente para as massas e os planejadores de cidades foram rápidos em abraçar essa revolução cultural. Por exemplo, o design de Los Angeles dos anos 1920 era basicamente ditado pelo carro. A baixa densidade populacional da cidade e os subúrbios distantes foram criados devido à facilidade com que as pessoas podiam se locomover usando carros durante uma década de rápida expansão a partir de 1910. Hoje, o sistema de trânsito de LA tornou-se uma vítima de seu próprio sucesso. Em 2017, o congestionamento da cidade foi o pior do mundo pelo sexto ano consecutivo, de acordo com INRIX, um analista de transporte. A empresa diz que os passageiros de Los Angeles estão destinados a passar mais de 100 horas por ano lutando contra o congestionamento nas horas de pico.
Mas o congestionamento não é um problema exclusivamente americano. Na China e na Índia, países onde uma classe média em rápida expansão está gastando grande parte de sua renda disponível em carros, o problema é grave e deve ficar muito pior. Em Mumbai, por exemplo, com uma população metropolitana de cerca de 18,5 milhões de habitantes e 2,3 milhões de veículos, um aumento de 55% nos últimos sete anos, os registros de novos veículos totalizaram cerca de 700 por dia em 2017. A frota de veículos de Pequim é igualmente impressionante, numerando 5,97 milhões para uma população metropolitana de 21,7 milhões (Figura 1).
Fontes de poluição por partículas e seus efeitos
A poluição por PM2.5 tem muitas fontes, incluindo usinas de energia movidas a carvão e óleo, cozinha doméstica e até mesmo fontes naturais, como poeira e sal marinho. Mas um estudo em Gwangju, na Coreia, mostrou que mais de um terço do material particulado naquela cidade era atribuível a veículos movidos a diesel e gasolina.
É uma história semelhante em Pequim. No final de março de 2017, a concentração de PM2.5 da cidade era de 238 µg / m3 e a média da cidade era de 90 µg / m3 ao longo do ano. As diretrizes da Organização Mundial da Saúde (OMS) afirmam que uma leitura média de PM2,5 de apenas 25 µg / m3 em um período de 24 horas não é saudável. Os habitantes da cidade chinesa estão pagando um preço alto pela mobilidade. Um relatório de 2016 da Escola de Meio Ambiente da Universidade de Nanjing concluiu que 31,8 por cento de todas as mortes em Pequim (e outras cidades congestionadas na China) podem estar relacionadas ao PM2.5.
Embora não seja tão ruim quanto Pequim, Mumbai, com sua grande frota de carros e padrões de emissão baixos, a cidade costuma sofrer com a péssima qualidade do ar. O Times of India informou que a cidade está classificada como a 63ª cidade mais poluída entre uma lista de 859 cidades ao redor do mundo e é a quarta megacidade mais poluída. Em 2016, o nível médio de PM2,5 da cidade era 64µg / m3. Embora Pequim e Mumbai sejam exceções, as cidades ocidentais não têm motivos para se sentirem presunçosas. LA registra uma leitura média anual de PM2,5 de 18µg / m3. Na Europa, Paris registrou um pico de leitura de 55µg / m3 em fevereiro de 2018.
De acordo com a OMS, a poluição do ar é a principal responsável por doenças não transmissíveis, causando cerca de 24 por cento de todas as mortes de adultos por doenças cardíacas, 25 por cento por acidente vascular cerebral, 43 por cento por doença pulmonar obstrutiva crônica e 29 por cento por câncer de pulmão.
Mitigação de poluição 1.0
Várias autoridades municipais se empenharam na tarefa de limpar o ar de seus residentes. Algumas tentativas são mais bizarras do que outras. De acordo com a BBC, Delhi brincou com a ideia de montar motores a jato em plataformas e rebocá-los para áreas altamente poluídas para usar o impulso dos motores para empurrar as partículas para a atmosfera e para longe dos pulmões. Pequim também introduziu recentemente um sistema de autorização que limita os não residentes a apenas 12 unidades em um ano.
As tentativas mais convencionais de controlar as partículas transportadas pelo ar incluem a implantação de equipamentos de monitoramento por alguns meses em um hotspot de poluição nacional para estabelecer um padrão seguido por medidas severas, como limitar o acesso ou aumentar as taxas de emissão para desencorajar o tráfego até que o ar se torne mais limpo. Essas iniciativas deixam de levar em conta fatores transitórios, como clima e acidentes automobilísticos, enquanto as soluções pesadas frustram os motoristas e geralmente produzem resultados de curto prazo.
Usando tecnologia convencional para limitar a poluição por partículas
Ao implantar produtos eletrônicos contemporâneos, como sensores e câmeras da web, algumas cidades dos EUA estão obtendo melhores resultados. Chicago, Illinois, por exemplo, usa sensores montados em postes de lâmpadas para criar uma imagem da poluição ao longo do tempo em grandes áreas da cidade, enquanto os residentes de Pittsburgh, Pa. Podem usar webcams para aumentar o zoom em fontes específicas de emissões e fazer registros de eventos de poluição para identificar um padrão. Em outro lugar, Louisville, Ky., identifica pontos críticos de poluição ao coletar dados sobre quando pacientes com asma usam inaladores.
Fora dos EUA, Oslo permite o acesso à faixa de ônibus, oferece muitas estações de recarga e estacionamento privilegiado e elimina pedágios para veículos elétricos. A Noruega tem o maior número per capita de carros totalmente elétricos do mundo, mais de 100.000 para um país de 5,2 milhões de habitantes. A leitura média de PM2,5 de Oslo em 2016 foi de 11µg/m3. Dresden, Alemanha, está tentando filtrar as partículas do ar implementando “paredes verdes” que absorvem a poluição (Figura 2).
Conectividade melhora o controle da poluição
Iniciativas que reduzem o número de carros que entram nas cidades têm certo impacto na qualidade do ar. Menos canos de escape equivalem a emissões mais baixas. Mas o impacto geralmente não é tão alto quanto o previsto. Londres, por exemplo, introduziu um esquema de cobrança de congestionamento em 2003. Em 2014, os volumes de tráfego na zona de cobrança eram quase um quarto menores do que há uma década. Mas o número de ônibus aumentou, e as viagens de táxi e veículos particulares alugados aumentaram quase 30 por cento desde 2000.
A taxa de congestionamento de Londres melhorou o ar para a população da cidade? Em 2003, a leitura média de PM2,5 da cidade era de 25 µg/m3 (aumentando para 35 µg/m3 nas áreas centrais), enquanto em 2016, era de 15 µg/m3 (aumentando para 18 µg/m3 nas áreas centrais). Isso é uma melhoria acentuada, mas ainda significa que a qualidade do ar está bem acima do limite da OMS de 10 µg/m3.
A experiência de Londres demonstra que o combate à poluição do ar é governado por dezenas de fatores dependentes e a mudança de um deles pode (às vezes de forma prejudicial) afetar outros. Para reagir rapidamente aos picos de poluição e reduzir o nível médio ao longo de um período de tempo, são necessários dados ... muitos dados oportunos e precisos.
A capacidade da Internet das Coisas (IoT) para gerar, agrupar e analisar rapidamente dados de sensores sem fio compactos e baratos - conectados à nuvem por meio de LPWANs - permitirá que os planejadores da cidade aproveitem o big data para melhorar o controle da poluição do ar.
Construindo um Sistema de Controle de Poluição do Ar IoT
Um sistema de poluição do ar baseado em IoT compreenderá quatro elementos essenciais:
• Sensores de qualidade do ar sem fio para monitorar e relatar os níveis de poluição;
• Conectividade LPWAN para transmitir dados de redes de sensores sem fio de curto alcance para a nuvem;
• Servidores em nuvem com o poder de analisar dados de dezenas de milhares de sensores sem fio;
• Algoritmos preditivos para sugerir medidas para evitar que a poluição do ar atinja níveis perigosos.
Sensores PM2.5 compactos, baratos e alimentados por bateria estão se tornando disponíveis comercialmente. Os dados desses dispositivos podem ser complementados por sensores de gás semicondutor de óxido metálico (MOS), que podem ser ajustados para captar o dióxido de nitrogênio (NO2) e o monóxido de carbono (CO) predominante nos gases de exaustão para dar uma indicação geral da poluição do ar criada por veículos. Os sensores são comumente emparelhados com um transceptor de RF usando um protocolo sem fio compatível com bateria, como Bluetooth Low Energy (BLE) ou Zigbee, para que os dados possam ser transmitidos continuamente pela rede. Como o PM2.5 e os sensores de gás são baratos e discretos, eles podem ser amplamente distribuídos pela cidade para monitorar a poluição do ar.
LPWANs formam conexões robustas, de longo alcance e seguras entre as redes locais (LANs) de sensores sem fio de curto alcance e a nuvem. Várias tecnologias LPWAN estão sendo comercializadas, incluindo tecnologias de IoT celulares, como LTE-M e NB-IoT, LoRaWAN, Sigfox e Weightless (Figura 3).
Depois que os dados são carregados para a nuvem por meio de um LPWAN, eles podem ser agregados e analisados para construir uma imagem refinada quase em tempo real de como a poluição do ar está mudando em uma cidade. À medida que o banco de dados históricos é construído, os algoritmos podem referir-se a eventos passados para prever com precisão como os padrões futuros se desenrolarão - permitindo que as autoridades tomem medidas preventivas, se necessário. Essas informações permitirão ações mais sutis do que as medidas tradicionais, como regular os fluxos de tráfego, reduzir temporariamente o pedágio para veículos mais limpos e aconselhar rapidamente os cidadãos, por meio da rede celular ou da internet, a evitar áreas que podem se tornar perigosas em breve.
Primeiros usuários
Londres
Londres está construindo sua experiência com controle de congestionamento, introduzindo um teste baseado em IoT no Royal Borough of Greenwich em colaboração com a GSMA, uma aliança de provedores de infraestrutura de celular. O projeto, denominado Smart London, usa uma combinação de sensores, LPWANs de IoT celulares e técnicas analíticas de big data. A rede de sensores compreende dispositivos estáticos e móveis de baixo custo conectados a veículos, bicicletas e pessoas. Os dados são complementados pelos das estações existentes de monitoramento da qualidade do ar de Greenwich.
As informações permitem que as autoridades tomem decisões antecipadas. Por exemplo, os dados das medições da qualidade do ar estão sendo usados ??para informar os assinantes de um serviço chamado AirTEXT, por meio de notificações de smartphone, quando os níveis de poluição provavelmente aumentarão em sua área. Como resultado da análise dos dados, o bairro introduziu medidas de mitigação da poluição, como a proibição de caminhões de entrega grandes e, em vez disso, empregou um empreiteiro que entrega pacotes de bicicleta.
Embora seja o início do experimento de Greenwich, os níveis de PM2.5 estão mostrando um declínio modesto (Figura 4).
Seul
A capital sul-coreana é o lar de um esquema de monitoramento da poluição do ar baseado em IoT operado por uma operadora de telecomunicações local. Para um país desenvolvido, o ar da Coreia do Sul é sujo. No final de março de 2018, o PM2.5 de Seul atingiu o pico de 100µg / m3. O projeto Air Map Korea coleta dados de qualidade do ar por meio de infraestrutura nacional, incluindo 4,5 milhões de postes telefônicos, 330.000 estações base móveis, 60.000 cabines telefônicas públicas e 4.000 escritórios centrais na Coreia. Além dos níveis de PM2.5 e PM10, os sensores também rastreiam a temperatura, os níveis de ruído e a umidade. Os dados do sensor são retransmitidos por meio de um IoT LPWAN celular para as redes móveis 4G e 5G existentes da empresa. Depois de coletadas, essas informações são transmitidas para a plataforma de mapas aéreos da empresa a cada minuto.
Até agora, a iniciativa de qualidade do ar de Seul produziu resultados limitados. O governo da cidade tomou medidas para encorajar as pessoas a deixarem seus carros - como isenção de taxas de transporte público durante o horário de pico, fechamento de estacionamentos e introdução de multas e proibições em certos veículos movidos a diesel quando a poluição atinge o pico - mas as medidas reduziram o tráfego em apenas cerca de dois por cento. As melhorias de PM2.5 nos últimos cinco anos foram descritas como estagnadas por um porta-voz do governo coreano, de acordo com o U.S. News & World Report.
Atuando em Dados de Qualidade do Ar
O que a experiência de Londres e Seul indica é que medir a poluição é uma coisa, agir com base na informação para que tenha um impacto significativo é outra bem diferente. Mas ainda é o início da IoT e, a médio prazo, os planejadores da cidade se beneficiarão da grande quantidade de dados atuais e históricos que se acumulam como resultado de redes de monitoramento generalizadas e armazenamento em nuvem.
Melhorar a resposta
Como reagir aos dados gerados pela IoT é em grande parte governado pelo clima político, mas a tecnologia pode desempenhar um papel maior no processo de tomada de decisão, garantindo que o público seja informado com informações precisas em tempo hábil. Dessa forma, os cidadãos estão mais propensos a aceitar medidas que tornem a mobilidade pessoal mais cara ou mesmo restrita.
Apresentando tecnologia de sensor aprimorada
Os avanços na tecnologia de semicondutores e sem fio de baixa potência estão tornando os sensores de qualidade do ar mais baratos, menores, com menor manutenção, mais precisos e com maior alcance. Como resultado, os futuros esquemas de controle de poluição serão capazes de tirar proveito de uma implantação muito maior de sensores e precisão de medição aprimorada.
Estendendo Redes de Malha de Sensores
A implantação generalizada também é auxiliada por desenvolvimentos como a malha de Bluetooth® e a compatibilidade de malha inerente do Zigbee®. A rede permite que os sensores se comuniquem entre si, reduzindo o número de nós LPWAN necessários porque os dados podem ser agregados e retransmitidos de um único ponto em uma grande rede. Tal arranjo reduz o custo e a complexidade.
Implantando LPWANs em toda a cidade
LPWANs desempenham um papel fundamental na construção da IoT. A IoT celular oferece uma vantagem inicial porque as redes 4G (e cada vez mais 5G) já estão integradas na maioria das cidades - permitindo uma tração antecipada para fornecedores de serviços IoT celulares metropolitanos. LoRaWAN, Sigfox e Weightless estão ocupados construindo infraestrutura nas principais cidades para dar suporte a suas tecnologias. Uma vez instalados, esses LPWANs fornecerão um backbone para implantação rápida e econômica de redes de sensores sem fio em qualquer área da cidade.
Usando Inteligência Artificial para Agir Cedo
Com base em enormes recursos de dados e empregando o poder de fazendas (farms) de servidores, os engenheiros desenvolverão algoritmos que consideram de forma inteligente a complexa interação de fatores que afetam a poluição do ar, produzem previsões precisas e sugerem ações precoces (e sutis) para mitigar os níveis de risco. Os exemplos incluem as usinas de purificação de ar que a Coreia do Sul está construindo, que serão ligadas automaticamente quando a poluição do ar atingir um limite e os drones da China, que borrifam água ou produtos químicos em pontos críticos de poluição para lavar os acúmulos de PM2.5.
Resumindo
Embora as cidades continuem apegadas aos veículos a diesel e a gasolina, as emissões de PM2.5 dos canos de escape são um perigo potencial para a saúde humana. As grandes cidades estão percebendo a perda de produtividade e carga no sistema de saúde causada por doenças respiratórias e algumas têm feito esforços para reduzir os níveis de poluição. Esses esforços pioneiros são louváveis, mas são caros de implementar, complexos de administrar e produzem resultados limitados.
A IoT aborda os pontos fracos dos sistemas de monitoramento tradicionais, gerando fluxos contínuos de dados precisos quase em tempo real, permitindo que os planejadores tomem decisões mais informadas para cortar os fluxos de tráfego. No entanto, a IoT está em sua infância e seu potencial total para o controle da poluição do ar não será realizado até que os engenheiros implementem as redes de sensores sem fio de próxima geração, LPWANs em toda a cidade e a infraestrutura celular 5G necessária para alimentar os algoritmos de IA que pode então desencadear ações preventivas precoces.
Biografia do autor
Steven Keeping é redator colaborador da Mouser Electronics e obteve o diploma BEng (Hons.) Na Brighton University, no Reino Unido, antes de trabalhar nas divisões de eletrônica da Eurotherm e BOC por sete anos. Ele então se juntou à revista Electronic Production e posteriormente passou 13 anos em funções editoriais e editoriais sênior em títulos de fabricação, teste e design de eletrônicos, incluindo Novidades em Eletrônica e Engenharia Eletrônica Australiana para Trinity Mirror, CMP e RBI no Reino Unido e Austrália. Em 2006, Steven se tornou um jornalista freelance especializado em eletrônica. Ele está baseado em Sydney.
