Development and Calibration of a Multi-Gas Air Quality Monitoring System - Sviluppo e Calibrazione di un Sistema Multi-Gas per il Monitoraggio della Qualità dell'Aria

La qualità dell'aria interna (IAQ) influisce in modo significativo sulla salute e sul benessere degli occupanti. Questa tesi presenta lo sviluppo e la validazione sperimentale di un sistema stand-alone a basso costo per il monitoraggio in tempo reale e la registrazione di CO2, CO, NO2, O3, particolato (PM) e composti organici volatili (VOC). Il sistema è basato sulla scheda STM32F429IDISC1, modificata con batteria tampone e oscillatore esterno per garantire un real-time clock affidabile. Un PCB custom integra sensori ottici, NDIR ed elettrochimici, mentre un firmware bare-metal organizzato tramite macchine a stati gestisce l'acquisizione dei dati, l'interfaccia grafica su display e il salvataggio in memoria flash. L'esportazione dei dati avviene in formato CSV tramite interfaccia USB Mass Storage. Le prove sperimentali hanno evidenziato le principali criticità delle celle elettrochimiche dedicate a CO, NO2 e O3, soggette a deriva della baseline e alla comparsa di valori negativi. Per affrontare questo problema, è stata progettata e realizzata una camera di calibrazione dedicata, utilizzata per la calibrazione del punto zero. Tale intervento ha corretto esclusivamente l'offset del sensore, eliminando le misure fisicamente non plausibili senza modificare la sensibilità, che rimane quella definita alla calibrazione di fabbrica del produttore. I test in ambiente d'ufficio hanno confermato l'efficacia dell'azzeramento per CO e O3, con riallineamento della baseline e corretta rilevazione delle variazioni diurne. Nel complesso, il lavoro dimostra che l'affidabilità di un sistema IAQ low-cost dipende non solo dalla scelta dei sensori, ma soprattutto dalla corretta integrazione tra hardware, firmware e procedure di calibrazione.

Indoor Air Quality (IAQ) has a significant impact on occupants' health and well-being. This thesis presents the development and experimental validation of a standalone, low-cost IAQ monitoring system capable of real-time monitoring and data logging of CO2, CO, NO2, O3, particulate matter (PM), and volatile organic compounds (VOCs). The system is built around an STM32F429IDISC1 board, enhanced with a backup battery and an external oscillator to ensure a reliable real-time clock. A custom PCB integrates optical, NDIR, and electrochemical sensors, while bare-metal firmware based on state machines manages data acquisition, the graphical user interface, and flash memory logging. Data can be exported in CSV format through a USB Mass Storage interface. Experimental tests highlighted the main limitations of the electrochemical cells used for CO, NO2, and O3, which were affected by baseline drift and occasional negative readings. To address this issue, a dedicated calibration chamber was designed and built to perform zero-point calibration. This procedure corrected only the sensor offset, eliminating physically implausible readings without altering sensitivity, which remained based on the manufacturer's factory calibration. Office field tests confirmed the effectiveness of zeroing for CO and O3, with baseline realignment and proper tracking of diurnal variations. Overall, this work shows that the reliability of low-cost IAQ monitoring systems depends not only on sensor selection, but also on the effective integration of hardware, firmware, and calibration strategies. La qualità dell'aria interna (IAQ) influisce in modo significativo sulla salute e sul benessere degli occupanti. Questa tesi presenta lo sviluppo e la validazione sperimentale di un sistema stand-alone a basso costo per il monitoraggio in tempo reale e la registrazione di CO2, CO, NO2, O3, particolato (PM) e composti organici volatili (VOC). Il sistema è basato sulla scheda STM32F429IDISC1, modificata con batteria tampone e oscillatore esterno per garantire un real-time clock affidabile. Un PCB custom integra sensori ottici, NDIR ed elettrochimici, mentre un firmware bare-metal organizzato tramite macchine a stati gestisce l'acquisizione dei dati, l'interfaccia grafica su display e il salvataggio in memoria flash. L'esportazione dei dati avviene in formato CSV tramite interfaccia USB Mass Storage. Le prove sperimentali hanno evidenziato le principali criticità delle celle elettrochimiche dedicate a CO, NO2 e O3, soggette a deriva della baseline e alla comparsa di valori negativi. Per affrontare questo problema, è stata progettata e realizzata una camera di calibrazione dedicata, utilizzata per la calibrazione del punto zero. Tale intervento ha corretto esclusivamente l'offset del sensore, eliminando le misure fisicamente non plausibili senza modificare la sensibilità, che rimane quella definita alla calibrazione di fabbrica del produttore. I test in ambiente d'ufficio hanno confermato l'efficacia dell'azzeramento per CO e O3, con riallineamento della baseline e corretta rilevazione delle variazioni diurne. Nel complesso, il lavoro dimostra che l'affidabilità di un sistema IAQ low-cost dipende non solo dalla scelta dei sensori, ma soprattutto dalla corretta integrazione tra hardware, firmware e procedure di calibrazione.