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SISTEMA DE MONITORAMENTO E QUALIDADE DO AR COM
RASPBERRY PI
Angelo Pereira Bernardes - Bacharel em Ciência da Computação – UNISEB; Danilo
Ansaloni Azevedo - aluno de graduação em Ciência da Computação – UNISEB; Thiago
Wellington Joazeiro de Almeida - Professor do Centro Universitário UNISEB.
RESUMO
O aumento da urbanização e crescimento de cidades, contribuiu para o crescimento da
contaminação do meio ambiente sendo mais grave a poluição do ar, que atinge uma grande
quantidade de pessoas, causando diversos efeitos na saúde. Neste artigo será discutido uma
forma de monitorar e quantificar a poluição do ar, utilizando Raspberry Pi. Dados foram
coletados por meio de um equipamento capaz de construir uma base histórica que permita
avaliar a qualidade do ar aferido em comparação aos parâmetros divulgados pela CETESB.
Com base nos indicadores é possível verificar qual a classificação da qualidade do ar, no local
onde foi realizada a aferição. Este artigo apresenta uma discussão sobre um único indicador
aferido que é a concentração de gás carbônico, porém deve-se considerar também que a
qualidade do ar apresenta outros indicadores que devem ser avaliados. Com o auxílio da base
histórica e aferição em localizações estratégicas é possível tomar decisões mais eficazes para
melhoria da qualidade do ar. O ponto discutido serve de informação para que sejam tomadas
atitudes relacionadas à qualidade do ar.
Palavras-chave: poluição do ar; efeitos na saúde; indicadores de qualidade do ar.
1 Introdução
A poluição atmosférica é um grande problema de saúde publica, principalmente em
áreas bastante urbanizadas (CASTRO, GOUVEIA E CEJUDO, 2003). Segundo Nakagawa,
Comarú e Trigoso (2010), a poluição causa danos ao aparelho respiratório e não pode ser
ignorada. Pesquisas realizadas na Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo
(FMUSP) mostraram que em centros bastante urbanizados, a expectativa de vida é em média
de um ano e meio menor do que em cidades do interior. O estudo também mostrou que para
cada aumento de 100 µg/m³ na concentração de MP (Material Particulado) em 24 horas,
aumentaram em 8,17 mortes de adultos por dia (NAKAGAWA, COMARÚ E TRIGOSO,
2010).
Dessa maneira, foram realizados estudos para definirem e identificarem os principais
poluentes atmosféricos, e a partir dai, vários países definiram padrões de qualidade do ar
(SILVA, 2011). Segundo Silva (2011), temos fontes naturais e antropogênicas de poluição,
que podemos lista-las dessa maneira:
Naturais:
- Cinzas e gases de emissões vulcânicas;
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- Tempestades de areia e poeira;
- Decomposição de animais e vegetais;
- Partículas e gases de incêndios florestais;
- Poeira cósmica;
- Evaporação natural;
- Odores e gases da decomposição de matéria orgânica;
- Maresia dos mares e oceanos.
Antropogênicas:
- Fontes industriais;
- Fontes móveis (veículos a gasolina, álcool, diesel e gnv);
- Queima de lixo a céu aberto e incineração de lixo;
- Comercialização e armazenamento de produtos voláteis;
- Queima de combustíveis na indústria e termoelétricas;
- Emissões de processos químicos.
Segundo Saldiva (2007), nas ultimas décadas, com o aumento da quantidade da frota
móvel, acabou se tornando o principal contribuinte para o aumento da carga de poluentes
emitidos na atmosfera nas grandes cidades, até mesmo maior que as fontes fixas. Se a
tecnologia disponível hoje em dia, fosse utilizada para reduzir o consumo de combustível
fósseis, haveria uma redução de cerca de 65 mil mortes entre 2000 e 2020 nas maiores cidades
do mundo (SALDIVA, 2007). Na cidade de São Paulo devido a isso, a Companhia Ambiental
do Estado de São Paulo (CETESB), criou programas para controlar tais emissões como o
Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (PROCONVE), o
Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos e Veículos Similares (PROMOT),
além do rodizio de veículos de passeio e veículos pesados (NAKAGAWA, COMARÚ E
TRIGOSO, 2010).
1.1 Objetivo
Criar alternativa utilizando Raspberry PI, que permita coletar e apresentar dados
inerentes a qualidade do ar.
2 FUndamentação teórica
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Os conceitos sobre a qualidade do ar é foco de muitos estudos como os que foram
encontrados e apresentados nos tópicos a seguir. Tais estudos necessitam de recursos
tecnológicos para fazer medições e assim obter conclusões sobre a qualidade do ar bem como
aprovar tais tecnologias para medições.
2.1 Qualidade e poluição do ar
Segundo a CETESB (2012), os padrões de qualidade do ar (PQAr), são definidos na
Resolução CONAMA nº 3 de 28/06/90 e no Decreto Estadual nº 8468/76, e na tabela 1 são
demostrados os padrões de qualidade do ar assim como os critérios para alguns casos como de
atenção, alerta e emergência. Para simplificar a demonstração dos dados de poluição do ar
para população a CETESB (2012), utiliza o Índice de Qualidade do Ar (IQAr), que é obtido
relacionando os padrões legais de qualidade do ar com as concentrações dos poluentes.
Segundo a CETESB (2012), a qualidade do ar de uma estação é determinada pelo poluente
que tenha o índice mais elevado. Na tabela 1 são demonstrados os índices de qualidade do e
saúde.
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Para um melhor entendimento a CETESB (2012) fornece um significado para cada
índice listado na Tabela 2 - Índice de qualidade do ar e saúde, segue significados na tabela 3.
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Segundo Silva (2011), existem agravantes da poluição do ar, que são eles: Inversão
térmica, depleção da camada de Ozônio, efeito estufa e a chuva ácida.
2.1.1 Inversão Térmica
Nos primeiros quilômetros de atmosfera, à medida que o ar se distancia da superfície
da terra, o ar vai esfriando, dessa maneira o ar mais próximo da superfície, que é mais quente
e mais leve pode ascender, favorecendo assim a dispersão de poluentes emitidos pelas fontes,
segundo a CETESB (2013).
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Além disso, a CETESB (2013) informa que a inversão térmica é uma condição que
ocorre quando uma camada de ar quente se sobrepõe a uma camada de ar frio, impedindo o
movimento ascendente do ar, uma vez que o ar abaixo dessa camada fica mais frio e pesado,
fazendo com o que os poluentes se mantenham próximos à superfície.
Em grandes centros urbanos, com uma grande frota automobilística e com indústrias, a
inversão térmica pode ocasionar uma alta concentração de poluentes e por fim grandes
problemas de saúde (CETESB, 2013).
2.1.2 Depleção da Camada de Ozônio
A CETESB (2013) apresenta que toda a vida na terra depende de um gás venenoso
que existe na atmosfera da terra chamado de ozônio. Segundo a CETESB (2013), esse gás na
forma de uma fina camada na atmosfera não permite que altos níveis de radiação UV-B
atinjam a superfície da terra, protegendo assim as plantas e os animais de doses elevadas do
UV-B, e da forma que vai o absorvendo, também cria uma fonte de calor desempenhando um
papel na estrutura da temperatura do planeta.
Porém, por volta dos anos 70 e 80 foi detectado um crescente afinamento dessa
camada de ozônio, dessa forma aumentando a intensidade dos raios UV-B que atingem a
superfície da terra e causam alterações na estrutura celular de organismos vivos podendo
causar vários tipos de doenças. Este crescente afinamento vem sido causado pela poluição do
ar, onde diversas substancias químicas que acabam destruindo o ozônio quando reagem com
ele (CETESB, 2013).
2.1.3 Efeito Estufa
Segundo a CETESB (2013), o efeito estufa é causado pela emissão de gases na
atmosfera pela queima de combustíveis fosseis como o carvão, o gás natural e os derivados de
petróleo (gasolina, óleo diesel, óleos combustíveis, entre outros). Esses gases quando em
grandes quantidades, formam um filtro na atmosfera, retendo o calor, provocando um
aumento na temperatura média.
A CETESB (2013) lista os principais gases do efeito estufa, que são eles:

CO2: Ele é responsável por cerca de 60% do efeito estufa, e a sua duração na atmosfera é
pelo menos algumas centenas de anos.
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
CH4: Responsável por cerca de 15 a 20% do efeito estufa, ele é o componente primário do
gás natural e é produzido por aterros sanitários, mineração, plantação de arroz, queima de
biomassa e até mesmo por bactérias no aparelho digestivo do gado.

N2O: Responsável por cerca 6% do efeito estufa, os clorofluorcarbonos são utilizados em
aparelhos de ar condicionados, propelentes de aerossóis, geladeiras além de outros usos
comerciais e industriais. Esses gases reagem com o ozônio, causando o afinamento na
camada de ozônio.
Além dos gases informados acima a CETESB (2013) lista também outros gases do
efeito estufa: Dióxido de Carbono, Metano, Óxido Nitroso, Ozônio, HFC-23, HFC-32, HFC41, HFC-43-10mee, HFC-125, HFC-134, HFC-134a, HFC-152a, HFC-143, HFC-143a, HFC227ea, HFC-236fa, HFC-145ca, Hexafluorido de Enxofre, Perfluorometano, Perfluoroetano,
Perfluoropropano, Perfluorociclobutano, Perfluoropentano, Perfluorohexano.
2.1.4 Chuva Ácida
Segundo a USP (2013), indústrias e automóveis lançam para atmosfera óxidos de
enxofre e nitrogênio que ao reagir com o vapor de agua, produzem ácido sulfúrico e acido
nítrico dando origem a precipitações ácidas. O solo, plantas e animais são prejudicados se
com frequência houver esse tipo de chuva, da mesma forma edificações podendo ocorrer
corrosão nas suas estruturas.
2.1.5 Principais Poluentes
Referente à poluição do ar, a CETESB (2012) apresentou uma lista com os principais
poluentes, que estão listados abaixo como:

Partículas Inaláveis Finas (MP2,5): São partículas de material sólido ou liquido suspensa
no ar, como neblina, fumaça, poeira ou fuligem, e que por permanecerem no ar podem
percorrer longas distancias, e tem uma faixa de tamanho menor que 2,5 micra. Têm como
fonte principal os processos de combustão, tanto de veículos automotores como industrial,
sulfato, nitrato e aerossol secundário formado na atmosfera. No meio ambiente pode
causar danos a vegetação, contaminação do solo, contaminação da agua e deterioração da
visibilidade.

Partículas Inaláveis (MP10) e Fumaça: São partículas de material sólido ou liquido
suspensa no ar, como neblina, fumaça, poeira ou fuligem, e tem uma faixa de tamanho
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menor que 10 micra. Têm como fonte principal os processos de combustão, tanto de
veículos automotores como industrial, poeira ressuspensa e aerossol secundário formado
na atmosfera. No meio ambiente pode causar danos a vegetação, contaminação do solo,
contaminação da agua e deterioração da visibilidade.

Partículas Totais em Suspensão (PTS): São partículas de material sólido ou liquido
suspensa no ar, como neblina, fumaça, poeira ou fuligem, e tem uma faixa de tamanho
menor que 100 micra. Têm como fonte principal veículos automotores, processo
industrial, poeira ressuspensa, queima de biomassa e também de fontes naturais como
aerossol, pólen e solo. No meio ambiente pode causar danos à vegetação, contaminação
do solo, contaminação da agua e deterioração da visibilidade.

Dióxido de Enxofre (SO2): É um gás com forte odor, semelhante ao gás produzido na
queima de palitos de fósforos e incolor, que pode ser transformado em SO2 e na presença
de vapor de água, passa rapidamente a H2SO4. O Dióxido de Enxofre é um percursor dos
sulfatos, que é um dos principais componentes das partículas inaláveis. Tem como fonte
principal os processos que utilizam queima de combustível, queima de óleo, refinaria de
petróleo, produção de polpa, produção de papel, produção de fertilizantes e refinarias de
petróleo. O SO2 pode levar a formação de chuva ácida, causar danos devido à corrosão aos
materiais e causar danos à vegetação.

Dióxido de Nitrogênio (NO2): Um gás com um odor forte e irritante, marrom
avermelhado, que pode levar a formação de nitratos, ácidos nítricos e compostos
orgânicos tóxicos. Tem como fonte a combustão de veículos automotores, usinas térmicas
que utilizam óleo e gás, incinerações e processos industriais. Pode ocasionar a chuva ácida
e causar danos à vegetação e à colheita.

Monóxido de Carbono (CO): É um gás incolor, inodoro e insípido, tem como principal
fonte a combustão incompleta em veículos automotores. O Monóxido de carbono é um
gás tóxico, incolor, inodoro, fruto da combustão de processos industriais, do escapamento
de veículos automotores e do fumo de cigarro. A intoxicação desse gás pode levar a
morte, pois quando absorvido pelo sangue, ele causa a diminuição de transporte de
oxigênio até os tecidos.

Ozônio (O3): Um gás incolor, o principal componente da névoa fotoquímica e inodoro nas
concentrações ambientais. O ozônio não é emitido diretamente para a atmosfera, ele é
produzido pela radiação solar atuando sobre os compostos orgânicos voláteis e sobre o
óxidos de nitrogênio. Dessa maneira, causa danos à vegetação, plantações agrícolas,
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plantas ornamentais e colheitas.
2.2 Tecnologias para medição
Para o desenvolvimento do sistema utilizado para as medições de monóxido de
carbono lançado na atmosfera, foi feito um levantamento bibliográfico de tecnologias que
podem ser utilizadas para obter dados a fim de armazená-los e apresenta-los de maneira
elegante através de uma aplicação web.
2.2.1 GertBoard
GertBoard é uma placa de expansão para o Raspberry Pi, que foi desenvolvida por
Gert van Loo. É uma placa desenvolvida para estudos e experimentações que se conecta
diretamente com o Raspberry Pi. Nela é possível detectar e produzir tensões analógicas, ligar
Leds e relés, além de sensores. Com cabos é possível ligar diferentes partes do circuito de
maneiras diferentes, permitindo uma total flexibilidade, e tudo controlado pelo Raspberry Pi,
ELEMENT14(2013).
Características:
•
Ligações diretas no GPIO socket no Raspberry PI.
•
Capaz de controlar um motor bi direcionado, de 18v e 2A .
•
Um duplo canal de conversão digital para analógica de 8 bits
•
Conversor dual channel analógico para digital de 10 bits.
•
MCU onboard atmel Atmega 328 para execução de programas off-board que são
escritos, compilados e enviados da GertBoard para o Raspberry PI.
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•
Seis saídas de coletor.
•
Um indicador LED
•
Três interruptores de pressão
Software e manuais disponíveis para operar e aprender a utilizar a GertBoard, ELEMENT14
(2013).
2.2.2 Win32Disk Imager
Este programa é projetado para gravar uma imagem de disco cru para um dispositivo
removível ou fazer backup de um dispositivo removível em um arquivo de imagem RAW. É
muito útil para o desenvolvimento integrado, ou seja, projetos de desenvolvimento do braço
(Android, o Ubuntu em dispositivos ARM etc). Qualquer um é livre para ramificar e
modificar este programa por ser um software open source publicado sob a licença GPL v2,
WIN32DISKIMAGER (2013).
2.2.3 Raspberry PI
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Apresentado por RICHARDSON, WALLACE (2013), Raspberry PI é um computador do
tamanho de um cartão de crédito desenvolvido pela Fundação Raspberry PI que possui como
principal objetivo de ensinar Ciências da Computação para alunos de qualquer idade e
escolaridade.
2.2.4 Sensor ME2-CO
ME2-CO é um sensor eletroquímico, isto porque que detecta a concentração do gás
CO em sua medição através do princípio da eletroquímica, que consiste na utilização do
processo de oxidação eletroquímica do gás alvo no eletrodo de trabalho no interior da célula
eletrolítica, a corrente produzida na reação eletroquímica do gás alvo e diretamente
proporcional à sua concentração e, utilização a lei de Faraday, desta forma pode-se obter a
concentração atual da medição do gás CO, WINSENSOR (2013).
Figura 3 – Sensor ME2-CO
Fonte: WINSENSOR (2013).
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2.2.5 Linguagem Java
Java é uma linguagem de programação e uma plataforma de desenvolvimento que
permite o desenvolver para praticamente todos os tipos de aplicação. Com ferramental
completo, um ecossistema maduro, e desempenho robusto, Java oferece portabilidade de
plataforma o que inclui até as mais díspares permitindo assim que sejam desenvolvidas
aplicações portáveis de alto desempenho, para a mais ampla gama de plataformas de
computação. O Java foi desenvolvido pela Sun Microsystems que em 2007 tornou
praticamente toda a plataforma em open-source (ORACLE (2013)).
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2.2.6 Standard Widget Toolkit
O Standard Widget Tool é um suíte de componentes para criação de interface gráfica
para de aplicativos para desktop desenvolvidos na linguagem Java. Foi criado pela IBM e
atualmente é mantido pela Eclipse Foundation associado à ambiente de desenvolvimento
integrado Eclipse IDE. Foi concebido para ser uma alternativa para o Abstract Window
Toolkit(AWT) e o Swing, ambos fornecidos pela Sun como parte da Java Platform Standard
Edition (SWT (2013)).
2.2.7 WiringPi
WiringPi é uma biblioteca de acesso a GPIO escrita em C para o BCM2835 utilizado
no Raspberry PI. Esta biblioteca é extensível e módulos são fornecidos para utilizá-la em
dispositivos de interface analógica na Gertboard através dos protocolos SPI e I2C. A
biblioteca foi escrita de maneira a facilitar o desenvolvimento de wrappers em diversas
linguagens de programação, um exemplo disso é a biblioteca Pi4J. WiringPi é distribuída
sobre a licença GNU LGPLv3. (WIRINGPI(2013)).
2.2.8 Pi4J
Pi4J é uma biblioteca que utiliza via JNI (Java Native Interface) a implementação da
biblioteca WiringPi, criando assim wrappers que possibilitam o desenvolvimento de
aplicativos Java para utilização da periféricos conectados à GPIO do Raspberry Pi e suas
placas de expansão PiFace e GertBoard, facilitando e agilizando o desenvolvimento de
aplicações de leitura de sensores, controle de motores, controles de leds e etc... A biblioteca
Pi4J é mantida e desenvolvida por Robert Savage e Chris Walzl e é liberada sob a licença
Apache Software License 2.0 (PI4J(2013)).
3. Materiais E Métodos
Na realização deste estudo foi utilizado como base computacional o dispositivo
Raspberry PI. Para a obtenção dos dados utilizou-se o sensor ME2-CO conectado à placa de
expansão Gertboard anexada ao Raspberry PI. Através de uma aplicação desenvolvida em
Java, os dados aferidos pelo sensor foram obtidos, armazenados e apresentados. Tal aplicação
deve ser executada no Rasberry Pi para que possa acessar os periféricos conectados ao
dispositivo.
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Para utilizar o Raspberry PI é necessário instalar o seu sistema operacional em um
cartão SD de no mínimo 4GB. É necessário ter a imagem do sistema operacional, o cartão SD
e o software Win32 Disk Imager que é responsável por gravar a imagem do sistema
operacional no cartão SD.
A imagem do Raspbian Wheezy, sistema operacional baseado no Debian preparado
para o Raspberry PI, pode ser obtida em http://www.raspberrypi.org/downloads. O Win32
Disk Imager que foi utilizado para gravar a imagem do sistema operacional no cartão SD pode
ser obtido em http://sourceforge.net/projects/win32diskimager/. Com o Win32 Disk Imager
foi selecionada a imagem do Raspbian Wheezy, após selecionar a imagem do Wheezy devese ser selecionada a unidade onde está conectado o cartão SD e para iniciar a gravação no
cartão clicar em gravar. Após o processo de gravação da imagem no cartão SD ser concluído,
são conectados no Rapsberry PI, teclado, mouse, interface de rede e monitor. Antes de ligar o
Raspberry PI à energia, o cartão de memória com o sistema operacional já gravado deve estar
inserido no slot de cartões que existe na placa. Conectando o Raspberry PI à fonte de energia,
são iniciados os procedimentos de boot do sistema operacional. Após a conclusão da
inicialização será solicitado, via linha de comandos, o usuário e a senha para realizar login no
sistema operacional. O usuário pré-configurado é pi e a senha é pi. Logado no sistema é
necessário realizar a instalação das bibliotecas utilizadas no desenvolvimento dos sistemas
que obterão os dados dos sensores e apresentarão os resultados em uma aplicação Web, que
será instalado no próprio Raspberry PI. Através da linha de comando “sudo apt-get install
openjdk-7-jdk openjdk-7-jre” serão instaladas Java Virtual Machine e o Software Develpment
Kit para Java.
Para instalar a biblioteca WiringPi o código para compilação e instalação da mesma
deverá ser obtido no repositório oficial do projeto, localizado em git://git.drogon.net/wiringPi.
Após obter o código fonte, navegue até a pasta onde foi feito o clone da biblioteca, execute o
comando “./build” para que o fonte seja compilado e instalado no sistema operacional,
disponibilizando assim as interfaces que serão acessadas via a biblioteca Pi4J que será
utilizada no projeto Java.
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Para obter a leitura do sensor ME2-CO foi montado o circuito básico de exemplo que
é disponibilizado no datasheet do sensor apresentado na Figura 4. Este circuito é responsável
por traduzir em variação de tensão a corrente obtida através do processo eletroquímico que
ocorre no interior do sensor.
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O circuito apresentado na Figura 4 é utilizado ligado à Gertboard como assinalado na
Figura 5.
A fim de obter a quantidade de CO em partículas por milhão, ppm, era necessário
obter uma função matemática que traduza a tensão lida do circuito apresentado na Figura 4
novamente em corrente. Para definir a função que traduzirá a tensão obtida em corrente, de
forma empírica, foi ligado ao circuito dois multímetros, um posicionado para aferir tensão e
outro posicionado para aferir a corrente do circuito. Após analisar várias leituras foi obtida a
função
, através desta equação obtemos y amperes em função
da leitura de x volts de tensão, para que possa ser convertida em função dos dados
apresentados na Tabela 5 onde cada 0,0015±0,005µA representa uma unidade de ppm de CO
aferida pelo sensor ME2-CO.
A coleta dos dados do experimento deu-se em uma avenida de média circulação de
veículos na cidade de Ribeirão Preto estado de São Paulo. Durante o período de vinte e quatro
horas a quantidade de CO presente no ar foi aferida três vezes por minuto.
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4 Resultados
Foram realizadas medições durante um período de vinte e quatro horas na cidade de
Ribeirão Preto, em uma avenida de média circulação diária de veículos, inclusive de
transporte coletivo de pessoas e caminhões. Os dados obtidos através desta aferição são
apresentados no gráfico abaixo, que apresenta a concentração de monóxido de carbono em
PPM (Partículas por milhão) aferidas três vezes por minuto.
Analisando o gráfico 1 é possível notar um sensível aumento do nível de CO
(monóxido de carbono) nos horários de maior circulação de veículos, tendo picos em vários
minutos do horário comercial, principalmente no horário de entrada e saída do expediente
comercial. Nos horários de baixa movimentação, o nível de CO retorna para níveis baixos.
5 Conclusão
Os resultados preliminares sugerem a necessidade de acompanhamento em relação à
qualidade do ar na cidade de Ribeirão Preto, pois em alguns horários foram observadas
concentrações de CO que atingem um nível de qualidade indicado como ruim (15–30 PPM)
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segundo CETESB (2012). Uma exposição continuada de 6 a 8 horas nestes níveis pode gerar
dores de cabeça, tonturas, apresentar quadros de falta de ar, podendo ainda causar efeitos mais
graves em crianças, idosos e pessoas com problemas respiratórios e cardíacos, de acordo com
a CETESB (2012). O presente estudo mostrou-se promissor na criação de uma tecnologia
para facilitar a aferição coletando dados que justificam a necessidade de um melhor
acompanhamento da qualidade do ar.
6 Melhorias Futuras
Além de implementar a leitura dos demais sensores que compõe a aferição da
qualidade do ar, devem ser definidos parâmetros de aferição utilizando meios controlados de
calibragem, garantindo assim dados fiéis nas aferições. Também poderão ser adicionados
outros tipos de periféricos que auxiliarão na obtenção de mais informações sobre o ambiente e
a localização das leituras como sensores de temperatura, humidade e um módulo de GPS que
informará com exatidão a localização onde os dados foram coletados. Para um monitoramento
mais amplo, vários equipamentos como este podem ser construídos e equipados com um
módulo GPRS para facilitar o acompanhamento em tempo real e a aferição em diversos
pontos da cidade através de conexão de dados móveis. Para uma melhor visualização deverá
ser desenvolvida uma interface web.
7 REFERÊNCIAS
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