This thesis describes the design, operation, and results obtained during the development of a wearable device for measuring air quality, analyzing personal exposure, and calculating inhaled dose. The World Health Organization defines air pollution as a critical issue, with over 99% of the global population breathing air that does not meet safety guidelines. Assessing personal exposure using data from traditional monitoring stations is complicated and inaccurate due to their stationary nature and spatial dispersion, which fails to effectively describe the various microenvironments in which an individual breathes. A device that measures air quality and is carried by the individual, on the other hand, has the potential to address this problem. For the development of the device, a PCB was designed to interface with five sensors that measure the concentration of the main atmospheric pollutants. Additionally, the device is housed in a 3D-designed and printed case, making it wearable. This device is part of the RespirHò project, a wireless platform that uses the ANT network to create a network of wearable sensors dedicated to measuring cardio-respiratory parameters and interfaces with the dedicated Android application. The device was tested in various environments and contexts to assess its performance. The repeatability of measurements, battery life, and data loss were evaluated in different configurations. It was also tested during the daily commute of users and used in an acquisition protocol to measure the inhaled pollutant dose. The results show excellent reproducibility, confirmed by Bland-Altman tests and Pearson correlation. Moreover, the device improves battery life and reduces data loss compared to the previous version. The inhaled dose study shows a progressive increase between static indoor, dynamic indoor, and outdoor activities. This device overcomes many of the limitations of the previous version but could be further improved by reducing its size, energy consumption, and including O₃ and SO₂ measurements to provide a more comprehensive overview of atmospheric pollutants.

Questa tesi descrive progettazione, funzionamento e risultati ottenuti durante lo sviluppo di un dispositivo indossabile per la misura della qualità dell'aria, l'analisi dell'esposizione personale e il calcolo della dose inalata. L'Organizzazione Mondiale della Sanità definisce l'inquinamento atmosferico come un problema critico, con oltre il 99% della popolazione mondiale che respira aria non sicura. Valutare l'esposizione personale con le tradizionali stazioni di monitoraggio è complicato e impreciso, a causa della loro natura stazionaria e della dispersione spaziale, che non permette di descrivere efficacemente i diversi microambienti in cui l'individuo respira. Un dispositivo portatile che misura la qualità dell'aria, invece, ha il potenziale per risolvere questo problema. Per la realizzazione del dispositivo è stata progettata una PCB che si interfaccia con cinque sensori che misurano la concentrazione dei principali inquinanti atmosferici. Inoltre, il dispositivo è inserito in un case stampato in 3D, che lo rende indossabile. Questo dispositivo è parte del progetto RespirHò, una piattaforma wireless che utilizza la rete ANT per creare una rete di sensori indossabili per la misura di parametri cardio-respiratori, interfacciandosi con l'applicazione Android dedicata. Il dispositivo è stato testato in diversi ambienti e contesti per valutarne il comportamento. Sono state valutate la ripetibilità delle misure, durata della batteria e data loss. Inoltre è stato testato durante il tragitto giornaliero di pendolari e usato in un protocollo per misurare la dose di inquinante inalata. I risultati mostrano un'eccellente riproducibilità, confermata dai test di Bland-Altman e dalla correlazione di Pearson. Inoltre, il dispositivo migliora la durata della batteria e riduce la data loss rispetto alla versione precedente. Lo studio della dose inalata evidenzia un incremento progressivo tra attività indoor statiche, dinamiche e outdoor. Questo dispositivo supera molti dei limiti della versione precedente, ma potrebbe essere ulteriormente migliorato riducendone dimensioni, consumo e includendo la misura di O₃ e SO₂ per offrire una panoramica completa degli inquinanti atmosferici.

Design and testing of a wearable device for personal air pollution and gases exposure assessment

Banfi, Marco
2023/2024

Abstract

This thesis describes the design, operation, and results obtained during the development of a wearable device for measuring air quality, analyzing personal exposure, and calculating inhaled dose. The World Health Organization defines air pollution as a critical issue, with over 99% of the global population breathing air that does not meet safety guidelines. Assessing personal exposure using data from traditional monitoring stations is complicated and inaccurate due to their stationary nature and spatial dispersion, which fails to effectively describe the various microenvironments in which an individual breathes. A device that measures air quality and is carried by the individual, on the other hand, has the potential to address this problem. For the development of the device, a PCB was designed to interface with five sensors that measure the concentration of the main atmospheric pollutants. Additionally, the device is housed in a 3D-designed and printed case, making it wearable. This device is part of the RespirHò project, a wireless platform that uses the ANT network to create a network of wearable sensors dedicated to measuring cardio-respiratory parameters and interfaces with the dedicated Android application. The device was tested in various environments and contexts to assess its performance. The repeatability of measurements, battery life, and data loss were evaluated in different configurations. It was also tested during the daily commute of users and used in an acquisition protocol to measure the inhaled pollutant dose. The results show excellent reproducibility, confirmed by Bland-Altman tests and Pearson correlation. Moreover, the device improves battery life and reduces data loss compared to the previous version. The inhaled dose study shows a progressive increase between static indoor, dynamic indoor, and outdoor activities. This device overcomes many of the limitations of the previous version but could be further improved by reducing its size, energy consumption, and including O₃ and SO₂ measurements to provide a more comprehensive overview of atmospheric pollutants.
ANGELUCCI, ALESSANDRA
BERNASCONI, SARA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
10-ott-2024
2023/2024
Questa tesi descrive progettazione, funzionamento e risultati ottenuti durante lo sviluppo di un dispositivo indossabile per la misura della qualità dell'aria, l'analisi dell'esposizione personale e il calcolo della dose inalata. L'Organizzazione Mondiale della Sanità definisce l'inquinamento atmosferico come un problema critico, con oltre il 99% della popolazione mondiale che respira aria non sicura. Valutare l'esposizione personale con le tradizionali stazioni di monitoraggio è complicato e impreciso, a causa della loro natura stazionaria e della dispersione spaziale, che non permette di descrivere efficacemente i diversi microambienti in cui l'individuo respira. Un dispositivo portatile che misura la qualità dell'aria, invece, ha il potenziale per risolvere questo problema. Per la realizzazione del dispositivo è stata progettata una PCB che si interfaccia con cinque sensori che misurano la concentrazione dei principali inquinanti atmosferici. Inoltre, il dispositivo è inserito in un case stampato in 3D, che lo rende indossabile. Questo dispositivo è parte del progetto RespirHò, una piattaforma wireless che utilizza la rete ANT per creare una rete di sensori indossabili per la misura di parametri cardio-respiratori, interfacciandosi con l'applicazione Android dedicata. Il dispositivo è stato testato in diversi ambienti e contesti per valutarne il comportamento. Sono state valutate la ripetibilità delle misure, durata della batteria e data loss. Inoltre è stato testato durante il tragitto giornaliero di pendolari e usato in un protocollo per misurare la dose di inquinante inalata. I risultati mostrano un'eccellente riproducibilità, confermata dai test di Bland-Altman e dalla correlazione di Pearson. Inoltre, il dispositivo migliora la durata della batteria e riduce la data loss rispetto alla versione precedente. Lo studio della dose inalata evidenzia un incremento progressivo tra attività indoor statiche, dinamiche e outdoor. Questo dispositivo supera molti dei limiti della versione precedente, ma potrebbe essere ulteriormente migliorato riducendone dimensioni, consumo e includendo la misura di O₃ e SO₂ per offrire una panoramica completa degli inquinanti atmosferici.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/227069