Smart Ethylometer - Tesina

Se hai bevuto

Effetti dell’alcol sull’uomo

Et(h)yl meter

Tasso alcolico: effetti sull’uomo

Aumenta la tendenza ad agire in modo imprudente.

0.2 g/l

Minore capacità di vigilanza, percezione e elaborazione.

0.4 g/l

-30 /40% capacità di percezione.

0.5 g/l

Stimoli sonori uditivi e luminosi.

Facoltà visiva laterale fortemente compromessa.

0.6 g/l

Progetto di maturità

Perdita di coordinamento nei movimenti alla guida.

0.7 g/l

Telefona

L.S.S. I. Newton - Roma

Compromissione visione notturna e valutazione distanze.

0.9 g/l

Casa!

Euforia, minime capacità visive, motorie e attenzione.

1 g/l

Totale perdita

>1.5 g/l

Bevi, guidi.

Di lucidità o guarda il video.

https://www.youtube.com/watch?v=g-0v7gyKJ9o

Smart Ethylometer

Cos’è lo Smart Ethylometer

Finalità

Info

L’etilometro è un dispositivo che rileva il tasso alcolemico di una persona analizzandone il respiro.

Lo Smart Ethylometer, in caso di tasso alcolemico superiore a 0.5 g/l, invia automaticamente tramite Smart Phone un SMS di aiuto ad amici o a parenti che li informa anche della posizione dell’utente.

Smart Ethylometer è sviluppato in modo da poter essere replicato in qualsiasi scuola, così da sensibilizzare i giovani ai pericoli dell’alcol e al tema della sicurezza stradale.

La realizzazione del dispositivo consente di approfondire, rendendoli concreti, argomenti trattati nelle ore di Elettronica, Fisica, Informatica, Matematica e Scienze.

Lo Smart Ethylometer è un progetto Open Source ideato e realizzato da Pietro Pennestrì.

Tutte le informazioni necessarie alla sua costruzione sono condivise.

Vai al sito

http://www.pennestri.me/mq3

Smart Ethylometer

Progetto e costruzione

Indice

1 L’Alcohol etilico 5

1.1 Formula e proprietà del composto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Il consumo di Alcohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Metabolismo dell’Alcohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Danni sull’organismo a breve e a lungo termine . . . . . . . . . . . . 11

2 Principi di funzionamento del sensore MQ3 14

2.1 Che cos’è un sensore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2 Struttura del circuito elettrico di misura . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 Principi chimici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3 Descrizione dell’hardware 24

3.1 Scheda Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Sensore MQ-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3 La scheda 1Sheeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.4 Schermo LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5 Sensore di temperatura LM 35 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.6 PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Smart Ethylometer

4 Taratura dello strumento 30

4.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2 Procedura di acquisizione dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3 Elaborazione dei dati sperimentali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4 Regressione lineare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.5 Applicazione numerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5 Programmi sviluppati 45

5.1 Codice Arduino per calibrazione del sensore . . . . . . . . . . . . . . 45

1

Misura del tasso alcolico con Arduino pennestri.me

5.2 Acquisizione dati attraverso porta seriale . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.3 Curva di calibrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.4 Regressione lineare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.5 Codice Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Smart Ethylometer

6 Costi 57

2

Misura del tasso alcolico con Arduino pennestri.me

Motivazioni

Dalle recenti statistiche si rileva che:

• Nel mondo sono 3.3 milioni all’anno i decessi causati dall’abuso di alcohol;
• La fascia dei giovani dagli 11 ai 24 anni è quella più a rischio per abuso di sostanze alcoliche;
• Circa il 30% degli incidenti stradali in Italia sono correlati all’abuso di alcohol;
• È in aumento il numero di persone che responsabilmente scelgono di limitare il consumo di alcohol in funzione della sicurezza alla guida.

Il progetto vuole essere un contributo alla sensibilizzazione dei giovani sui pericoli legati al consumo di bevande alcoliche e alla sicurezza stradale.

Poiché dall’accuratezza della misura del tasso alcolemico dipendono vite umane o l’accertamento di responsabilità civili e penali, l’affidabilità dello strumento è una caratteristica imprescindibile, è stato da me progettato e realizzato lo Smart Ethylometer, un dispositivo basato sull’uso del sensore MQ-3.

In caso di tasso alcolemico rilevato superiore a 0.5 g/l, a differenza di un etilometro commerciale, lo Smart Ethylometer si collega automaticamente ad uno smartphone via bluetooth e invia dati attraverso degli SMS, grazie ai quali:

• Una o più persone selezionate in precedenza dall’utente vengono avvertite della situazione di potenziale pericolo;
• Attraverso coordinate GPS l’utente viene geo-localizzato e la posizione dell’utente resa nota alle suddette persone per gli opportuni interventi.

1.

Le funzioni principali dello Smart Ethylometer sono illustrate in Figura.

Il presente report, descritti i principi fisico-chimici alla base del funzionamento dell’etilometro, espone le fasi del progetto, della realizzazione e dei test di un dispositivo elettronico, realizzato con Arduino e sensore MQ-3 per la misura del tasso alcolemico.

Viene inoltre descritta la procedura di calibrazione attraverso l’elaborazione matematica dei dati raccolti durante le prove.

Al fine di consentire ad altre persone di replicare il mio lavoro, tutte le fasi del progetto e la componentistica utilizzata sono state anche documentate e condivise alle seguenti pagine web:

http://pennestri.me/mq3,

https://github.com/pennestri/mq3

Smart

Figura 1: Funzioni dello Smart Ethylometer

4

Capitolo 1: l’alcohol etilico

1.1 Formula e proprietà del composto

L’etanolo è un alcole, ovvero una sostanza organica che deriva da un alcano a cui è stato sostituito un atomo di idrogeno con un gruppo ossidrile OH. In particolare, l’etanolo deriva dall’etano, presenta la seguente struttura

H H

H C C OH. (1.1)

H H

La molecola, come è possibile osservare dalla sua struttura, presenta una parte polare, rappresentata in nero, e una apolare in rosso. È una sostanza tendenzialmente volatile ed infiammabile. La presenza di legami a idrogeno intermolecolari favorisce l’alta solubilità in acqua e un punto di ebollizione (circa 78,37 °C) alto rispetto al corrispettivo idrocarburo, etano (circa -183 °C).

L’etanolo è il principale costituente delle bevande alcoliche, caratterizzate da lavorazioni, gusti e caratteristiche differenti. In particolare, possiamo affermare che l’etanolo a temperatura ambiente si presenta con le seguenti proprietà organolettiche:

• È un liquido incolore;
• Ha un odore caratteristico e pungente;
• Ha un gusto dolce.

5

Misura del tasso alcolico con Arduino pennestri.me

1.2 Il consumo di Alcohol

L’alcohol è una sostanza psicoattiva, largamente utilizzata nei secoli ed in molte culture, che può produrre dipendenza, patologie e dannosi effetti economici e sociali [1]. Una statistica del 2010 stima che il consumo annuale di alcohol pro capite, per persone di età superiore ai 15 anni, sia pari a 6.2 litri di alcohol puro, ovvero 13.5 grammi di alcohol puro al giorno.

Consumo pro capite (litri)

<2.5

2.5–4.9

5.0–7.4

7.5–9.9

10.0–12.4 Dati non disponibili

≥12.50 Non applicabile

Figura 1.1: Distribuzione geografica del consumo di Alcohol (adattata da [1])

Inoltre, nella fascia di età a partire dai 15 anni, si stima che il 16% dei consumatori abbia episodi di consumo elevato di alcohol. Tali situazioni sono spesso facilitate da perverse dinamiche di gruppo che usano l’alcohol come sostanza disinibitoria.

La Figura 1.1, con riferimento al 2010, riassume la distribuzione del consumo pro capite di alcohol nel mondo.

6

Misura del tasso alcolico con Arduino pennestri.me

1.3 Metabolismo dell’Alcohol

Vie ossidative

Dopo aver ingerito una bevanda alcolica dal 90% al 95% dell’alcohol viene metabolizzato a livello epatico, mentre una piccola aliquota, variabile dal 5 al 15%, viene eliminata con il respiro e le urine. Arrivato nello stomaco inizia ad agire l’enzima alcol deidrogenasi, presente sulla superficie della mucosa del tratto gastroenterico, che costituisce un primo ostacolo all’assorbimento, riducendo la quantità che entra in circolo. La presenza di tale enzima permette al nostro organismo la catabolizzazione dell’alcohol. Si osserva che la presenza dell’alcol deidrogenasi nella donna è circa la metà rispetto all’uomo. Per questo motivo le donne possono assumere una quantità di alcohol inferiore rispetto all’uomo. La quantità di alcohol assorbita passa quindi al fegato per essere metabolizzata da tre sistemi enzimatici differenti:

• Il primo sistema, situato nel citosol, coinvolge l’enzima alcol deidrogenasi e metabolizza in un soggetto non affetto dall’alcolismo circa il 90% dell’alcohol presente nel fegato. In un alcolista, tale quota scende ad appena il 45%. Nella fase descritta si realizza la seguente reazione.

−−→

CH₃CH₂OH + NAD⁺ → CH₃CHO + NADH + H⁺ (1.2)

Etanolo acetaldeide

Le reazioni 1.2 portano all’interno della cellula uno sbilancio tra NAD⁺ e NADH ed un eccesso degli ioni H⁺, che causano un aumento di acidità all’interno della cellula. Questi cambiamenti per dosi elevate di alcohol possono portare a conseguenze patologiche come ad esempio l’ipoglicemia.

• Il secondo, indicato con l’acronimo MEOS (microsomal ethanol oxidizing system), è il sistema microsomiale di ossidazione dell’etanolo che, come ben esprime la denominazione, avviene nei microsomi e richiede, al fine di ossidare l’etanolo, l’enzima CYP2E1 facente parte della famiglia degli enzimi del citocromo P450. Si osserva infatti che tale enzima ha una maggiore affinità con l’alcohol rispetto all’alcol deidrogenasi.

Sebbene il MEOS normalmente non giochi un ruolo di primaria importanza, negli individui affetti da alcolismo, la sua funzione aumenta in maniera significativa per eliminare tutto l’alcohol presente.

Nella reazione 1.3, l’etanolo è ossidato e perde due atomi di idrogeno, mentre l’ossigeno accettandoli è ridotto e forma acqua, si ottiene infine come prodotto acetaldeide e acqua.

−−→

CH₃CH₂OH + O₂ + NADPH + H⁺ → CH₃CHO + NADP⁺ + 2H₂O (1.3)

7

Misura del tasso alcolico con Arduino pennestri.me

• Il terzo sistema, la catalasi, avviene nei perossisoma e ha un ruolo del tutto marginale e ossida l’etanolo ad acetaldeide secondo la reazione 1.4.

−−→

CH₃CH₂OH + H₂O₂ → CH₃CHO + H₂O (1.4)

L’alcohol una volta ossidato ad acetaldeide, viene a sua volta ossidato ad acetato secondo la reazione 1.5. Si osserva che quando l’alcohol è stato ingerito in dosi massicce, l’organismo non riesce ad ossidare tutta l’acetaldeide, che ricordiamo essere una sostanza pericolosa per l’organismo.

−−→

CH₃CHO + NAD⁺ → CH₃COOH + NADH + H⁺ (1.5)

Acetaldeide acido acetico

Acido acetico, così prodotto, verrà, ancora una volta, ossidato per ottenere CO₂.

I processi sopra descritti sono riassunti dalla Figura 1.2.

1 Il perossisoma è un organello cellulare vescicolare di circa 0,5–1 μm di diametro, ubiquitario negli eucarioti (ad eccezione degli eritrociti), separato dal citoplasma da una membrana che contiene almeno 50 enzimi ossidativi.

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Misura del tasso alcolico con Arduino pennestri.me

Enzima ADH

Alcol deidrogenasi

Ossidazione

MEOS, sistema microsomiale di ossidazione dell’etanolo

Etanolo

CH₃CH₂OH

Catalasi

Acetaldeide

CH₃CHO

ALD

Acetaldeide deidrogenasi

Acetato

CH₃COOH

Anidride carbonica

CO₂

Figura 1.2: Metabolismo dell’Alcohol - Via ossidativa

Vie non ossidative

Le vie non ossidative del metabolismo sebbene siano usate in minima parte, i loro prodotti possono causare sull’organismo gravi effetti. Una delle principali vie non ossidative è l’alcolisi dei trigliceridi, che porta alla formazione di esteri etilici degli acidi grassi (FAEE), tuttavia i meccanismi di tale reazione costituiscono ancora un campo di ricerca. Si ipotizza che i FAEE, se in concentrazione elevata, possono costituire un danno per il pancreas e il fegato.

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Misura del tasso alcolico con Arduino pennestri.me

Scambi gassosi

Anidride carbonica, ossigeno e alcohol

Figura 1.3: Rappresentazione degli scambi gassosi negli alveoli

Come già affermato, non tutto l’alcohol attraversa le vie metaboliche. Infatti una piccola percentuale riesce a passare nel flusso sanguigno dove non viene metabolizzato e rimane un composto separato. In particolare, l’alcohol entra in contatto con il sangue venoso diretto ai polmoni per essere purificato. Il processo di diffusione governa lo scambio tra il sangue e l’aria degli alveoli. Se è presente dell’alcohol nel sangue, per la sua volatilità, sarà esalato insieme alla CO₂. Il rapporto tra alcohol nell’aria e alcohol nel sangue, calcolato sperimentalmente, è di circa 2100:1, ovvero 2100 ml di aria alveolare contengono circa la stessa quantità di alcohol di 1 ml di sangue. Tale rapporto è stato calcolato tramite la legge di Henry secondo cui:

A temperatura costante la quantità di un gas poco solubile disciolta in un dato volume di liquido è proporzionale alla pressione del gas nella fase gassosa sovrastante la soluzione.

Pertanto (1.6)

c = kp

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Misura del tasso alcolico con Arduino pennestri.me

dove c è la concentrazione del gas nella soluzione e p la sua pressione nella fase gassosa sovrastante.

1.4 Danni sull’organismo a breve e a lungo termine

Si può mettere in relazione, come causa principale, l’alcohol in più di 200 patologie differenti, alcune delle quali sono riassunte nella Figura 1.4.

L’Organizzazione Mondiale della Sanità stima che nel 2012:

• Il 5.9% dei decessi (3.3 milioni di morti) viene fatto risalire al consumo di alcohol;
• Le percentuali di decessi sono del 7.6% negli uomini e del 4.0% nelle donne;
• Il 5.1% delle malattie e degli infortuni nel mondo sono stati causati dall’alcohol.

È stato inoltre evidenziato che i giovani, come gli anziani, sono fasce di età cui corrispondono i maggiori danni causati dal consumo d’alcohol. In particolare, per quanto riguarda gli adolescenti, si osserva che l’assunzione di bevande alcoliche è spesso legata ad episodi in cui i ragazzi abusano di tale sostanza provocando, oltre a danni immediati come gli incidenti stradali, anche danni alla propria salute con conseguenze prolungate.

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Misura del tasso alcolico con Arduino pennestri.me

Cervello

Ictus cerebrale, dipendenza, depressione, disturbi del sonno, allucinazioni.

Cuore

Cardiomiopatia alcolica, aritmie.

Ossa

Riduce il rischio di artrite reumatica.

Fegato

Steatosi epatica, epatite alcolica, cirrosi epatica.

Sangue

Aumenta il flusso sanguigno alle coronarie. Diminuisce il rischio trombosi.

Stomaco

Gastrite cronica.

Reni

Diminuisce il rischio di calcoli renali.

Pancreas

Pancreatite.

Reni

Effetto disidratante, minore capacità di filtro.

Bocca, trachea ed esofago

Cancro.

Figura 1.4: Danni dell’alcohol alla salute

Tabella 1.1: effetti del tasso alcolico sull’uomo

Alcolemia (g/l) — Effetti (indicativi)

0,2-0,4 — Lieve euforia, loquacità, lieve incoordinamento motorio ed eventuale moderata riduzione della capacità di giudizio e dell’attenzione.

0,5-0,8 — Aggravamento dell’incoordinamento motorio, riduzione della capacità percettiva, ulteriore riduzione della capacità di giudizio, tendenza alla guida pericolosa.

0,8-1,0 — Sopravvalutazione della propria abilità alla guida, tendenza a guidare al centro della strada, ritardo evidente nei tempi di reazione.

1,0-2,0 — Instabilità emotiva, alterazione della memoria, perdita della capacità di giudizio, atassia (incoordinamento motorio), disartria (difficoltà nell’articolazione della parola).

2,0-4,0 — Ubriachezza profonda, confusione mentale, disorientamento, apatia, marcate alterazioni percettive, midriasi (dilatazione della pupilla), vomito, incontinenza, incapacità di mantenere la stazione eretta.

4,0-5,0 — Alcolemia potenzialmente letale: coma, ipotermia, ipoventilazione, ipotensione arteriosa, anestesia.

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Capitolo 2: principi di funzionamento del sensore MQ3

2.1 Che cos’è un sensore

-Q Sensore