Tech a Break

Smart Design Challenge

Îngerul protector

Obiectivele proiectului

       Acest proiect își propune ca prin înglobarea unui dispozitiv de tipul SenzorTag într-un element decorativ plasat în spațiul interior sau exterior al unei locuințe să ofere locatarilor următoarele funcționalități:

1. Avertizarea timpurie în cazul producerii unui seism

       Datorită oboselii acumulate în timpul zilei sau a somnului profund sau a concentrării în realizarea diferitelor activități cotidiene, în momentul producerii unui seism o persoană poate să nu-l sesizeze sau să-l sesizeze mult prea târziu.

       Utilizând informațiile de la senzorii de mișcare (senzorii accelerometric și giroscop) ai unui dispozitiv de tip SensorTag și un algoritm inteligent (ce rulează pe telefonul mobil, pe laptop sau pe un sistem embedded dedicat), se va obține un sistem de atenționare a locatarilor imobilului în prima parte a duratei mișcării seismice, cât mai repede, pentru ca aceștia să se pună la adăpost (îndepărta de obiectele grele, de pereții exteriori etc. – deci, de obiecte care îi pot vătăma și a se plasa în zone sigure capabile să reziste la suprasarcini) și, astfel, să-și salveze viața.

       În momentul declanșării unui seism, din epicentru acestuia pornesc unde de șoc. Primele unde se numesc de tip P și de obicei nu sunt periculoase pentru diferitele structuri (de ex. construcții) transportând aproximativ 20% din energia seismului. Acestea sunt urmate de undele secundare, de tip S, de forfecare care sunt cele mai periculoase.

       Sistemul format din cele două componente (SensorTag-ul și sistemul inteligent = Gardian Angel sau gAngel) va identifica mișcarea precursoare (undele P) – mișcare pe verticală (care durează 10-15 secunde) – și va atenționa locuitorii imobilului de iminența mișcării pe orizontală care va urma, cea care transportă în jur de 70-80% din energia seismică și care este cea care produce efectele devastatoare.

       Deși sisteme de avertizare timpurie a cutremurelor există actualmente (de exemplu cele din: Japonia sau sistemul de avertizare de pe coasta de vest a Americii de Nord) acestea sunt gestionate de către entitățile statale. Chiar și așa, la ora actuală pe piață nu există sisteme personale de avertizare a cutremurelor, cu toate că acestea ar putea avea un impact benefic semnificativ.

2. Posibilitatea determinării în timp real a stării locale a vremii

       Deci, sistemul va determina: temperatura, umiditatea și presiunea atmosferică din locuință și aceleași valori dar și a evoluție stării vremii (funcție de variabilitățile presiunii atmosferice) din zona de domiciliu – prin interogarea acestui dispozitiv cu ajutorul unui telefon mobil sau laptop.

       Aplicații software (de tip meteriologic) care să prezinte aceste valori există de foarte multă vreme atât în cadrul sistemelor de operare Android, iOS sau Windows - vezi Figura 1.

       Dezavantajul acestor aplicații și a multora altora similare (de ex. a acelora care prezintă starea vremii și pot fi accesate printr-o pagină web pe internet) ține de faptul că într-o zonă metropolitată întinsă sau în cartierele rezidențiale poziționate la periferia marilor orașe, atunci când se interoghează starea vremii aceasta este determinată de către stații meteo plasate la distanțe mari, de 25-30 Km față de locația de reședință. În zonele rurale aceste distanțe, către stațiile meteo, sunt mult mai mari putând depăși câteva sute de kilometri. Mai mult, un alt dezavantaj este dat de intervalul de determinare a parametrilor meteorologici care poate fi chiar și din oră în oră sau mai mare.

       Abordarea propusă în acest proiect rezolvă toate aceste neajunsuri.

Componentele software

1. Prima aplicație

       Această aplicație va fi cea de avertizarea timpurie în cazul producerii unui seism. Aceasta va fi dezvoltată și va rula pe sistemele cu arhitectură x86 sau x64 susținute de sistemul de operare Windows. Pentru dezvoltarea acestei noi aplicații mă voi folosi de aplicația blessTags, aplicație dezvoltată deja și existentă în magazinul virtual al companiei Microsoft. Pentru descărcarea aplicației blessTags vă rog urmați link-ul: https://www.microsoft.com/store/apps/9p054xsjjr1n. În cazul în care doriți să testați versiunea gratuită a aplicației, blessTags Lite (în care toate funcțiile de configurare, achiziție și vizualizare text și grafică a informațiilor de la SensorTag-uri sunt active) vă rog să urmați link-ul: https://www.microsoft.com/store/apps/9mt2kgztfjf5. Pachetul software blessTags este singurul de pe piață, la ora actuală, capabil să gestioneze cinci SensorTag-uri diferite. O descriere completă a acestui pachet software o găsiți la adresa: http://www.blesstags.eu/2017/05/normal-0-false-false-false-en-us-x-none.html. Din cadrul aplicației blessTags se va folosi în principal suportul de comunicație Bluetooth LE, structurile de gestionare a SensorTag-urilor și mecanismele de afișare a datelor.

       Partea cea mai dificilă și provocatoare a acestui proiect este aceea de alarmare timpurie în cazul producerii unui seism. Acest sistem nu face nici o prognoză a momentului din viitor în care un seism se va declanșa. Sistemul gAngel funcționează similar cu cele de alarmare timpurie existente în diferitele state ale lumii (Japonia, America, Mexic etc.), sisteme care identifică diferite paternuri incipiente ale miscării seismice, iar ulterior activează un semnal de alarmă.

       Atunci când un cutremur are loc, din vatra cutremurului (focar sau hipocentru) sunt generate unde care se propagă prin rocile constituente ale plăcii tectonice în anumite direcții. Aceste direcții de propagare sunt dependente de diferitele specificități geologice, de direcția de alunecare/rupere/compresie a plăcilor tectonice (de ex. la noi în România în zona Vrancea există două planuri de falie: (a) primul orientat aproximativ NE-SV cu axa compresiilor perpendiculară pe arcul Carpatic și (b) al doilea este orientat NV-SE cu axa compresiilor paralelă cu arcul muntos Carpatic) sau de topografia zonei.

       Undele de șoc generate din epicentru (punctul situat deasupra focarului cutremurului) în principal sunt de două tipuri. Undele primare sau undele de tip P sunt primele generate, determinând o mișcare a elementelor solului de tip compresie dilatare în direcța de propagare. Aceste unde au viteza de deplasare cea mai mare fiind primele unde recepționate de seismografe, care pe baza acestor unde generează o alertă. Undele P transportă aproximativ 20% din energia totală a cutremurului. După undele P urmează cele secundare (undele S) care sunt și cele mai periculoase, cu efectul distrugător maxim, în principal datorită transportării celei mai mari părți din energia seismului – aproximativ 80%. Undele S determină deplasări transversal ale elementelor solului – deplasări ondulatorii stânga-dreapta față de direcția de propagare. Aceste unde se deplasează mai încet decât undele P, cu o viteză de aproximativ 1.7 ori mai mică. Viteza tipică a undelor P este de 5-8 Km/s fiind direct dependentă de tipul de roci prin care acestea se propagă. Cele două tipuri de unde sunt percepute în mod diferit de subiecții umani. Astfel: (a) undele P sunt percepute ca o deplasare în plan vertical, în timp ce, (b) undele S sunt pecepute ca o mișcare de balans în plan orizontal.

       Durata undelor P este în medie de 10-15 secunde și este direct dependentă de durata și magnitudinea seismului, vezi Tabelul 1. În general durata unui cutremur nu este prezentată în mod oficial, deoarece seismologii pot determina prin calcule doar durata procesului de rupere la nivelul hipocentrului, iar din punct de vedere al celor care locuiesc intr-o anumită zonă este de interes durata cutremurului resimțit de aceștia într-un anumit punct. Această durată este dependentă de structura terenului, etajul de referință al imobilului, tipul constructiv al clădirii, felul în care se propagă unda seismică etc.

Tabelul 1. Câteva cutremure cu diferitele caracteristici ale acestora

Țara

Data

Magnitudine

Durata

România

4 martie 1977

7.2 grade

56 secunde

România

6 octombrie 1908

7.1 grade

3 minute

România

14 noiembrie 1829

7.3 grade

1 minut

România

26 octombrie 1802

7.9 grade

2 min. 30 sec.

Chile

22 mai 1960

9.5 grade

10 minute

 

       O întrebare legitimă legată de acest sistem este următoarea: “Cât de eficient este sistemul propus în acest proiect?” În figura 2 se prezintă situația unui cutremur de magnitudine 3.7, produs aproape de Marea Moartă și înregistrat de mai multe stații seismice plaste la diferite distanțe față de epicentru. Considerând timpul de identificare a undelor primare de 2-3 secunde, urmat totul de o averitizare imediată, observăm că la 26 de Km față de epicentru în 2-3 secunde se va manifesta partea cea mai devastatoare a seismului, la 119 Km față de același punct trăitorii zonei vor dispune de 12 secunde pentru a se adăposti, în timp ce la 160 de Km față de epicentru va dura aproximativ 19 secude până la sosirea undelor de tip S care poartă cu ele cea mai mare parte a energiei seismului. Deci, putem concluziona că, cu cât reședința protejată de gAngel se află la o distanță mai mare față de epicentrul cutremurului cu atât locatarii acesteia au un timp mai lung de a se pune la adăpost, iar un astfel de sistem devine mai eficient.

Un avantaj al acestui sistem este că de fiecare dată când un seism va avea loc – seism ale cărui unde de tip P ajung și se manifestă în structura imobilului – locatarii vor fi avertizați. Sistemele oficiale utilizează seismografe plasate în regiunile cu riscuri mari de producere a seismelor (de exemplu în Romania, regiunea Vrancea) care pe lângă detecția undelor primare estimează și magnitudinea seismului astfel încât cei care trăiesc departe de epicentru să nu primească averismente pentru cutremure de magnitudine mică pe care ei nici nu le pot simți sau care nu se îndreaptă spre respectiva zonă.

2. A doua componentă

       Această aplicație va rula pe sistemele cu arhitectură ARM (în principal pe telefoanele mobile și tablete) susținute de sistemul de operare Android și va putea fi descărcată de pe Google Play – magazinul virtual al companiei GoogleTM cea care susține și dezvoltă sistemul de operare Android prin intermediul consorțiul comercial Open Handset Alliance. Această aplicație va permite configurarea SensorTag-ului (de exemplu: (a) a perioade la care acesta va trimite valorile parametrilor ambientali sau (b) a dispozitivului la care telefonul mobil se va conecta – locatarii putând avea mai multe astfel de dispozitive plasate de exemplu în: camera copilului sau în exteriorul casei), interogarea și afișarea parametrilor locali ai vremii și transformarea astfel a ansamblului SensorTag + telefon mobil (= gAngel) într-o stație meteo. Față de datele brute oferite de senzori (temperatură umiditate, etc.) alți indicatori (dacă aceștia se pot obține de la SensorTag), precum indicele de confort termic (indexul de temperatură-umezeală) sau indicele razelor ultaviolete (UV), vor fi calculați și diferite avertizări vor fi transmise – de ex., atunci când există un risc mare de arsuri datorită intensității mari de radiații UV.

Designer Dan-Marius Dobrea

Am 45 de ani, sunt săgetător, căsătorit, am doi băieți și sunt un împătimit de tehnologie. Ca profesie sunt cadru didactic în cadrul Facultății de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informațiilor din Iași, iar actualmente sunt conferențiar. Prin împătimit de tehnologie nu înțeleg numai că îmi place să am un smartphone frumos și puternic (cine nu își dorește ?) sau, de exemplu, un bec inteligent. Prin împătimit de tehnologie înțeleg că îmi place să construiesc roboți (care învață să se deplaseze și să evite obstacolele singuri - precum ființa umană învață să meargă prin propriile experiențe), să construiesc drone, să identific activitațile cerebrale umane (scriere, vizualizări mentale de obiecte etc.) prin intermediul semnalului electroencefalografic al creierului, să identific noncontact diferitele stări emoționale sau de oboseală ale unui subiect astfel încât un sistem să își schimbe comportamentul funcție de subiect sau de starea acestuia etc. Nu credeți ? Puteți vizualiza la următorul link https://www.youtube.com/watch?v=czz26jmJiL0&list=PLrDmzHP7HWk18Ydgui9eJu1hoWx5BjSI2 o mică parte din sistemele pe care le-am construit singur sau împreună cu studenții mei. În concluzie, îmi place să dau "suflet", atingere umană, creațiilor tehnice și să le pun pe acestea în slujba oamenilor - pentru ca viația noastră să devină mai sigură, mai ușoară și mai frumoasă.