Calibration and Analysis of a PurpleAir Sensor Network in Pavia

The main aim of this thesis is to analyze and calibrate a network of PurpleAir low-cost sensors deployed in the city of Pavia, Italy. This work evaluates the performance of these sensors when compared to reference measurements provided by the Regional Environmental Protection Agency (ARPA Lombardia). The specific objectives of this study are as follows: • To collect and process PM2.5 and PM10 measurements from a network of PurpleAir sensors installed in the urban area of Pavia; • To compare the raw sensor data with reference station measurements using appropriate statistical metrics; • To apply and evaluate different calibration algorithms, including the ENEA, Wallace, and ECHO methods (my proposal), in order to improve the accuracy of the sensor measurements; • To assess the spatial variability of PM2.5 and PM10 concentrations across the city of Pavia and provide insights into local air quality patterns. This thesis is organized as follows. After a brief introduction, Chapters 2 and 3 describe the study area and the sensor network deployed in Pavia, as well as an overview of the problems related to Particulate Matter. Chapter 4 provides a comprehensive literature review on air quality monitoring, low-cost sensors, and calibration methodologies. Chapter 5 describes the calibration algorithms applied to the sensor data. Chapter 6 presents the methodology applied, and the final two chapters draw conclusions and suggest directions for future research.

L'inquinamento atmosferico è uno dei problemi ambientali più gravi del mondo moderno, che colpisce milioni di persone in tutto il mondo e causa significativi problemi di salute pubblica. Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), l'inquinamento atmosferico è responsabile di circa 7 milioni di morti premature ogni anno. L'obiettivo principale di questa tesi è analizzare e calibrare una rete di sensori a basso costo PurpleAir installati nella città di Pavia, Italia. Il lavoro valuta le prestazioni di questi sensori confrontandole con le misurazioni di riferimento fornite dall'Agenzia Regionale per la Protezione dell'Ambiente (ARPA Lombardia). Gli obiettivi specifici di questo studio sono i seguenti: • Raccogliere ed elaborare le misurazioni di PM2.5 e PM10 da una rete di sensori PurpleAir installati nell'area urbana di Pavia; • Confrontare i dati grezzi dei sensori con le misurazioni delle stazioni di riferimento utilizzando metriche statistiche appropriate; • Applicare e valutare diversi algoritmi di calibrazione, inclusi i metodi ENEA, Wallace ed ECHO (mia proposta), al fine di migliorare l'accuratezza delle misurazioni dei sensori; • Valutare la variabilità spaziale delle concentrazioni di PM2.5 e PM10 nella città di Pavia e fornire informazioni sui modelli locali di qualità dell'aria. Questa tesi è organizzata come segue. Dopo una breve introduzione, i Capitoli 2 e 3 descrivono l'area di studio e la rete di sensori installata a Pavia, nonché una panoramica sui problemi relativi al Particolato (fisici, legislativi e medici). Il Capitolo 4 fornisce una revisione completa della letteratura sul monitoraggio della qualità dell'aria, sui sensori a basso costo e sulle metodologie di calibrazione. Il Capitolo 5 descrive gli algoritmi di calibrazione applicati ai dati dei sensori. Il Capitolo 6 presenta la metodologia applicata, e gli ultimi due capitoli traggono le conclusioni e suggeriscono direzioni per la ricerca futura.