Monitorare la qualità dell'aria con un laboratorio STEM
Costruire un kit di rilevazione di anidride carbonica
SCUOLA SECONDARIA DI SECONDO GRADO
Comprendere la qualità dell’aria è un’operazione importante, perché ci permette di vivere in maniera più sana, essere consci di cosa respiriamo e poter intraprendere azioni per migliorarla.
Cosa realizziamo?
Il laboratorio descritto in questa pagina, adatto alla Scuola Secondaria di Secondo Grado, si propone di costruire un kit di rilevazione dell’anidride carbonica (CO2) tramite un sensore apposito e una scheda programmabile, in grado di visualizzare e trattare i dati ricevuti e di avvertire l’utente in maniera visiva e sonora nel caso in cui si superino dei valori critici.
Perché lo realizziamo?
Seguendo quello che è l’approccio STEM, il laboratorio fornisce l’occasione di trattare molti contenuti didattici multi-disciplinari tramite le tecnologie.
Importante è anche la connessione con la realtà come spunto di apprendimento. Questo laboratorio può essere difatti contestualizzato all’epidemia di Covid-19.
È oramai noto difatti che il contagio virale si trasmette anche attraverso l’aria respirata, soprattutto nei luoghi chiusi, attraverso “aerosol”, piccole particelle in grado anche di librarsi e rimanere in aria. Abbiamo imparato che un importante rimedio per abbassare il rischio sia l’areazione degli spazi di convivenza per diminuire la concentrazione di tali aerosol nell’aria respirata, potenzialmente contagiosa. Non è però facile capire quando questa azione va fatta, perché dipende da molti fattori (numero di persone presenti, metratura dello spazio ecc.). È possibile avere un’indicazione in tal senso?
Un’idea di quanta aria “respirata” ci sia in un ambiente chiuso rispetto ad aria “normale” può essere data dalla concentrazione di CO2 in tale ambiente. Sappiamo infatti che gli esseri umani, respirando, emettono anidride carbonica. Se viene rilevata una quantità significativamente più alta rispetto alla media presente nell’aria aperta (circa 400 ppm, parti per milione), è presumibile che possa provenire da aria respirata dall’uomo. È indicato nella letteratura scientifica che un tasso di circa 1000 ppm di CO2 sia il livello massimo consentito nei luoghi chiusi per considerare l’aria accettabile. Questo valore può essere un buon indicatore per arieggiare il locale.
IMPORTANTE: Il laboratorio STEM proposto in questa pagina vuole fornire uno strumento di attività didattica che a partire dal contesto che stiamo vivendo crei occasioni di apprendimento significativo. Si sottolinea che l’attività proposta ha unicamente valenza didattica, e che se si desidera effettuare monitoraggi di livello sanitario e/o quantitativo è opportuno rivolgersi a sensori professionali. L’editore declina quindi ogni responsabilità da un utilizzo del kit diverso da quello didattico.
Come lo realizziamo?
Per prima cosa, procuriamoci i materiali. Di seguito è allegato un file Excel in cui sono riportati tutti i materiali necessari, con il dettaglio, la quantità, prezzi indicativi, link di possibili rivenditori, e check-list delle attenzioni particolari. I link sono pensati a titolo di esempio e non esaustivo su rivenditori molteplici per fornire un ampio spettro di possibilità: si consiglia quanto più possibile di concentrarsi su pochi, per ovvi motivi di facilità di acquisizione. Molte parti di comune utilizzo sono reperibili anche in negozi di elettronica.
Lista dei materiali: scarica il file Excel >>
Una volta che ci si è procurati tutti i materiali, è possibile assemblare il kit. Le procedure di assemblaggio sono contenuto nel seguente video. Seguitelo e procedete al montaggio.
A supporto, l’immagine sotto riportata contiene tutti i collegamenti da realizzare per il corretto funzionamento del kit:
Come indicato nel video, il kit è in grado di inviare sul web i dati di CO2 rilevati in PPM, dove è possibile visualizzarli in un grafico (inseribile anche in siti web propri) e scaricarli in formato .csv per trattarli tramite Excel o simili.Per permettere questa attività è necessario aprire un canale di visualizzazione su uno dei servizi che permettono queste funzionalità. Per questo progetto è stato scelto ThingSpeak™ di Mathworks (https://thingspeak.com/). È necessario effettuare questa operazione prima di lavorare sul programma. Seguiamo la seguente dispensa dove è indicata la procedura per farlo.
Aprire e gestire un canale su ThingSpeak: scarica il file PDF >>
I grafici sulla pagina di ThingSpeak™
Ora il kit è assemblato, il canale ThingSpeak™ è aperto e configurato, e siamo quindi pronti a lavorare sul programma.
Seguiamo ora la seguente dispensa in cui sono indicate tutte le operazioni preliminari da effettuare per poter operare con la scheda NodeMCU Amica.
Operazioni preliminare per la gestione della scheda NodeMCU: scarica il file PDF >>
La scheda NodeMCU Amica
Tutto è pronto per poter finalmente prendere confidenza col programma, caricarlo sulla scheda e far funzionare il kit. Seguiamo la seguente dispensa per completare il laboratorio STEM col caricamento del programma e la messa in funzione del kit.
Il programma per il sensore di CO2: scarica il file PDF >>
Questo è lo sketch del progetto scaricabile, modificabile e caricabile sulla scheda.
Sensore_CO2.ino: sketch >>
Per scaricare il file:
Se si usa Chrome, Firefox o Edge cliccare col tasto destro del mouse sul link, e selezionare dal menù:
- Salva link con nome (Chrome)
- Salva destinazione con nome (Firefox)
- Salva collegamento con nome (Edge)
Se si usa Safari, cliccando col mouse verrà direttamente proposto il download del file
Quali contenuti didattici possiamo collegare?
Questo laboratorio STEM vuole essere lo spunto per molte occasioni di apprendimento, collegando elementi considerati nello sviluppo e contenuti didattici. Ne suggeriamo alcuni:
CO2: trattazione dei gas, composizione dell’atmosfera, molecole, qualità dell’aria, meccanismo di respirazione umana, meccanismi di produzione della CO2 (fotosintesi clorofilliana), opacità della CO2 all’infrarosso, spettro elettromagnetico
Display LCD: cosa sono i cristalli liquidi, la polarizzazione della luce (usata per il funzionamento del display LCD)
Trattazione dei dati: utilizzo di un foglio di calcolo per la trattazione dei dati, rappresentazione di dati, realizzazione di grafici (assi X, Y)
PPM: concetto matematico e chimico di parti per milione, concentrazione
Realizzazione dello sketch: sviluppo di pensiero computazionale, elaborazione di un algoritmo, conoscenza di cicli e condizioni, strutture informatiche
Utilizzo di schede e componenti: nozioni di elettronica e suoi componenti, micro-controllori, comunicazione tramite WiFi
Utilizzo di led, resistenze in circuiti: semiconduttori (conduttori, isolanti), diodi, legge di Ohm, tensione, corrente, resistenza
Utilizzo di un buzzer: cristalli piezoelettrici, frequenze, unità di misura (Hz)
Correlazione con il Covid: virus, proteine, DNA, RNA
…E TANTI, TANTI ALTRI! Ad ulteriore approfondimento, indichiamo un link a un documento redatto dalla REVHA (Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning associations)