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3° report semestrale - Fondazione Montagna Sicura

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 Progetto operativo MALATRA -­‐ Unità di ricerca GLACIES “Bando per la creazione e sviluppo di Unità di Ricerca” -­‐ Programmi operativi “FESR competitività regionale 2007/2013” e “FSE occupazione 2007/2013” (DGR 1998/2011). CUP: B 75 G 12000 28 0006 3° REPORT SEMESTRALE 1 Sommario Elenco degli acronimi ................................................................................................................................ 3 Introduzione ............................................................................................................................................. 4 Attività di test preliminari ......................................................................................................................... 4 Caratterizzazione della capsula contenitrice .............................................................................................. 5 Test di impermeabilità di breve durata e di resistenza alla compressione ..................................... 5 Preparazione delle capsule ............................................................................................................................................... 5 Esecuzione dei test e risultati .......................................................................................................................................... 6 Test di tenuta stagna di lunga durata ............................................................................................................ 8 Risultati dei test meccanici sulla capsula contenitrice ............................................................................ 8 Test di trasparenza alle onde elettromagnetiche della capsula contenitrice ................................. 9 Caratterizzazione del tag ......................................................................................................................... 11 Test di misure RF in campo libero attraverso il rilevamento dell’indicatore RSSI .................... 11 Valore di RSSI ........................................................................................................................................................ 12 Misure in spazio libero – diga di Place Moulin .............................................................................................. 12 Misure in spazio libero – Grand Place (Pollein) ............................................................................................ 18 Test di misure RF con tag posizionato su ghiacciaio ............................................................................. 20 Caratterizzazione del PCB ........................................................................................................................ 27 Modulo radio ....................................................................................................................................................... 27 Antenna ................................................................................................................................................................. 27 Impedenza dell'antenna elicoidale .................................................................................................................... 30 Posizionamento del tag RFID tramite misure di potenza ricevuta .................................................. 31 Caratterizzazione del canale di comunicazione .............................................................................................. 31 Diagramma di irradiazione ............................................................................................................................ 36 Precisione della localizzazione con misura potenza ricevuta ....................................................................... 45 Caratterizzazione del sensore di temperatura in camera climatica ................................................ 49 Caratterizzazione del sensore di pressione ............................................................................................. 51 Taratura dell’accelerometro e del magnetometro ................................................................................ 51 Consumi ................................................................................................................................................................ 52 Progettazione nuovo layout PCB ............................................................................................................. 52 Test di durata e di affidabilità delle misure .............................................................................................. 53 Analisi dei valori di temperatura misurati ............................................................................................... 57 Analisi dell’attenuazione del segnale ......................................................................................................... 59 Progettazione, sviluppo e test di schede PCB da 169 MHz .................................................................. 61 Sintesi delle attività e dei risultati con riferimento allo Studio di fattibilità .............................................. 62 Sintesi delle attività realizzate con riferimento ai WP ................................................................................... 62 Attività previste nel prossimo semestre ........................................................................................................... 63 Scostamenti rispetto allo studio di fattibilità .................................................................................................. 63 Risultati conseguiti ............................................................................................................................................... 64 Bibliografia .............................................................................................................................................. 65 2 Elenco degli acronimi •
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BdM: Bilancio di Massa CSV: Comma Separated Values DGR: Delibera di Giunta Regionale EST: EnviSens Technologies srl FMS: Fondazione Montagna sicura GLACIES: GLaciers And Cryosphere International Expert Study group GPR: Ground Penetrating Radar I2C: Inter-­‐Integrated Circuit LOS: Line of Sight (linea di vista ottica) MALATRA: Monitoraggio dell'Ambiente gLAciale mediante Tecnologia Rfid NTC: Negative Temperature Coefficient PCB: Printed Circuit Board RCS: Radar Cross Section RF: Radiofrequenza RFID: Radio Frequency IDentification RSSI: Received Signal Strength Indicator R2T: reader To Tag SoC: System On Chip SPI: System Packet Interface SWE: Snow Water Equivalent T2R: Tag To reader UdR: Unità di Ricerca USART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter WSN: Wireless Sensor Network 3 Introduzione La presente relazione riassume le attività e i risultati raggiunti dall’UdR nel corso degli ultimi sei mesi di lavoro, da settembre 2013 a febbraio 2014 (3° semestre del progetto MALATRA’). Sono state condotte delle prove volte a caratterizzare i diversi componenti del sistema di misura, a partire dalle capsule contenitrici, fino ai singoli elementi costitutivi delle schede PCB (modulo radio, antenna, sensori di temperatura, batteria). I test hanno avuto luogo, oltre che in laboratorio, anche in diverse zone della Valle d’Aosta, ognuno scelto per le particolari caratteristiche che di volta in volta si rendevano necessarie. È stato deciso di avviare la progettazione, lo sviluppo e il test di una tipologia di PCB funzionante a 169 MHz, per indagare il comportamento di frequenze ancora più basse da utilizzare in ghiaccio e in neve ed eventualmente prevederne l’applicazione anche in altri ambiti dei rischi naturali. A dicembre è stato installato il primo tag RFID, completo di sensori di misura, presso il campo neve di Villa Cameron con l’obiettivo di verificarne il funzionamento a lungo termine e di apprezzare la bontà delle misure effettuate, in particolare quelle derivanti dal sensore di temperatura. I risultati finora ottenuti sono oggetto di un poster presentato all’Alpine Glaciology Meeting (Innsbruck, 27-­‐28 febbraio) e di un abstract, sottomesso e approvato, per un intervento all’International International Symposium on Contribution of Glaciers and Ice Sheets to Sea Level Change (Chamonix, 26-­‐30 maggio). Attività di test preliminari Nel seguito verranno descritte tutte le attività di test in sito ed in laboratorio che sono state condotte al fine di definire nel modo più completo e preciso l’intero sistema sviluppato. I test sono un’attività preliminare, fondamentale per avere una conoscenza completa dei dispositivi sviluppati, in vista del loro utilizzo su ghiacciaio. I test eseguiti sono stati volti alla caratterizzazione dei componenti a disposizione (tag, reader, sensori, antenne, capsula contenitrice), alla valutazione dell'attenuazione introdotta dal ghiaccio e dalla neve in ambiente alpino e dei parametri di permittività dielettrica relativa e di conduttività elettrica e infine all’individuazione di un algoritmo di posizionamento del tag. In particolare sono stati svolti i seguenti test: • caratterizzazione meccanica (tenuta stagna, pressione supportata e impermeabilizzazione) ed elettrica (riscaldamento dielettrico) della capsula contenitrice; • caratterizzazione del tag e del reader RFID in ambiente “controllato” ed in spazio libero; • test di funzionamento in situ (Punta Helbronner) e misure di potenza ricevuta dal tag e dal reader. 4 Caratterizzazione della capsula contenitrice La capsula contenitrice in materiale plastico costituisce non solo un elemento di protezione della scheda elettronica, che vi è alloggiata, contro eventuali danneggiamenti dovuti alle sollecitazioni meccaniche del ghiaccio e contro le condizioni atmosferiche e climatiche proibitive in cui le PCB dovranno lavorare, ma anche un elemento di disturbo, fonte di possibili inefficienze nella comunicazione tramite tecnologia RFID e di errore nella misura dei parametri fisici di ghiaccio e neve. Pertanto, la capsula è stata sottoposta a prove meccaniche, fisiche ed elettriche per comprendere le sue caratteristiche e valutare, da un lato, la sua efficacia in qualità di elemento protettivo e, dall’altro, la necessità di adottare eventuali accorgimenti per eliminare o ridurre al minimo gli errori che introduce nelle misure e nell’attenuazione del segnale radio. Test di impermeabilità di breve durata e di resistenza alla compressione Lo scopo di tale prova è la verifica che la tenuta stagna della capsula e la sua capacità a resistere alla compressione garantiscano, una volta che sarà installata nel ghiaccio, assenza di infiltrazioni di acqua e di deformazioni strutturali dell’involucro esterno. Il 17 ottobre 2013 si è condotto il test presso la diga di Place Moulin, nel Comune di Bionaz (AO), identificata come il luogo più adatto a verificare le proprietà meccaniche ricercate. Al momento della prova il pelo libero dell’invaso misurava circa 90 m di altezza, sufficiente ad ottenere una consistente pressione idrostatica esercitata sulla superficie esterna della capsula. Preparazione delle capsule Sulla superficie interna delle capsule, in prossimità del tappo di chiusura, è stata spalmata la Pasta Rossa Viky®, utilizzata tipicamente per individuare la presenza di acqua all’interno di cisterne contenenti idrocarburi; da asciutta la pasta si presenta di colore senape, ma si colora di rosso quando viene a contatto con l'acqua, grazie ad una reazione chimica. Inoltre, un sottile disco di pongo colorato (il disco rosso visibile nella foto in basso) è stato inserito all'interno e al centro del contenitore per valutare qualitativamente l'eventuale deformazione della capsula a seguito dello schiacciamento operato dalla pressione dell'acqua circostante. La chiusura delle capsule con il silicone. All'interno è visibile lo strato di Pasta Rossa (color senape quando è asciutta) e il disco di pongo rosso per la valutazione qualitativa delle deformazioni 5 Le capsule sono state quindi sigillate con adesivo al silicone in due punti, in corrispondenza del tappo di chiusura e del foro in basso, normalmente occupato dal sensore di pressione, assente durante i test di impermeabilità. Infine è stata preparata una corda metrica di lunghezza totale pari a 55 metri e segnata ogni 5 metri, un sacchetto a rete per alloggiare la capsula e dei pesi per appesantire la corda e permetterne l’immersione. Esecuzione dei test e risultati In qualunque fluido la pressione idrostatica esercitata su di un oggetto in esso immerso è data dalla seguente formula:  =  ∙  ∙ ℎ dove • ρ è la densità del fluido (nel caso in oggetto l’acqua); • g è l’accelerazione di gravità; • h è l’altezza del fluido sopra l’oggetto. L’unità di misura del sistema metrico decimale è il Pascal che rappresenta 1 N/m2 e corrispondente a 1X10-­‐5 bar. Se ne deriva che maggiore è la profondità di immersione, maggiore sarà la pressione idrostatica esercitata, inoltre nel caso in questione l’oggetto sommerso, la capsula, si trova nella libera atmosfera, pertanto alla pressione del fluido va aggiunta anche quella atmosferica comunemente assunta pari a 1 atm. !"! = !"# + !"#$%& Premesso che la pressione atmosferica è stata assunta pari a 1 bar (0,9869 atm) e che la pressione idrostatica dell’acqua varia di 1 bar ad ogni incremento di circa 10 m di profondità, si ottiene la seguente tabella di pressioni al variare della profondità: Pressione- Pressione- Pressione(
Profondità fluido atmosferica totale
m
bar
bar
bar
0
0
1
1
10
1
1
2
20
2
1
3
25
30
2,5
3
1
1
3,5
4
40
4
1
5
50
5
1
6
Sono state provate due capsule. 1. La prima è stata immersa a 20 metri (∼3 bar) al di sotto del pelo libero dell’acqua e ivi tenuta per pochi secondi. Alla vista in superficie di bolle emergenti, è stata recuperata e ispezionata, riscontrando immediatamente una evidente invasione d'acqua all'interno della capsula. 6 Il silicone applicato nel piccolo foro in basso, previsto per l'alloggiamento del sensore di pressione, aveva ceduto permettendo all'acqua di entrare e quindi di spingere l'aria presente all'interno della capsula, facendo aumentare la pressione interna che ha infine “stappato” la capsula, nonostante l’apertura fosse anch’essa siliconata. Nella documentazione fotografica in basso è possibile vedere a sinistra il sollevamento del tappo che ha permesso all'aria di uscire e nella foto a destra il colore della pasta divenuto rosso per la presenza d'acqua. 2. La seconda capsula è stata immersa inizialmente a 25 metri (∼3,5 bar), ispezionata a vista e poi, prima di procedere ad una nuova immersione, è stata rinforzata la chiusura del foro inferiore e il silicone è stato lasciato indurire per un tempo più lungo rispetto alla prima capsula (circa 2 ore in più, per un totale di circa 4 ore di indurimento). Dunque la si è immersa ad una profondità di 40 metri (∼5 bar) per circa un minuto, ispezionata a vista e poi aperta, riscontrando la completa impermeabilità. Anche lo schiacciamento operato dalla pressione di 5 atmosfere (∼5 bar) non ha provocato danni strutturali: il disco di pongo rosso risultava sostanzialmente invariato nelle dimensioni, sebbene il suo “incastro” all'interno della capsula risultasse leggermente più lasco lasciando intuire una compressione uniforme sui lati che ne aveva ridotto il diametro. Nelle foto in basso è possibile notare il colore senape della pasta rossa che indica l'impermeabilità sia della capsula sia del bordo di chiusura del tappo. Nella foto a destra si vedono gli accorgimenti adottati per sigillare il piccolo foro nella parte alta della capsula, che normalmente è chiuso ermeticamente dalla presenza del sensore di pressione (non presente durante questi test). 7 Si offre di seguito un riepilogo dei risultati conseguiti durante le prove delle 2 capsule: Pressione- Pressione- Pressione(
Profondità fluido atmosferica totale
m
bar
bar
bar
0
0
1
1
10
1
1
2
20
2
1
3
25
30
2,5
3
1
1
3,5
4
40
4
1
5
50
5
1
6
Test(1
Test(2
Allagamento-capsula-e-principiodi-scollamento-del-coperchio
Capsula-intatta
Capsula-intatta-ed-assenza-diinfiltrazioni
Test di tenuta stagna di lunga durata Allo scopo di stabilire se la capsula protegga contro infiltrazioni d’acqua e di umidità anche su tempi di permanenza maggiori rispetto a quelli dei test alla diga di Place Moulin, si è condotta una prova prolungata in cui la capsula è stata immersa in una bacinella d’acqua e lasciata a dimora per circa 30 giorni. La capsula è stata preventivamente ed opportunamente appesantita con del materiale ferroso in modo da farla giacere sul fondo del recipiente, contrastandone il galleggiamento, ed in seguito sigillata con del silicone lungo il filo dell’inserzione del coperchio e sul foro di calettatura del sensore di pressione. Per la verifica dell’assenza di infiltrazioni ci si è avvalsi della stessa pasta rossa utilizzata a Bionaz, che assume una colorazione rossastra quando viene a contatto con dell’acqua o della semplice umidità. Dopo circa un mese la capsula è stata estratta e dissigillata; si è potuto quindi verificare che non vi erano state infiltrazioni in quanto la pasta era rimasta di color senape, come al momento della spalmatura, e che il materiale ferroso non aveva subito fenomeni di arrugginimento. Risultati dei test meccanici sulla capsula contenitrice In conclusione, visti i risultati dei test effettuati per verificare le caratteristiche meccaniche della capsula contenitrice (resistenza alla pressione idrostatica, impermeabilità), si ritiene che l’oggetto sia idoneo alle condizioni di installazione in neve e ghiaccio. Infatti la messa a dimora delle capsule in fori praticati in profondità nella neve e nel ghiaccio sottoporrà tali oggetti a condizioni operative simili a quelle riprodotte nei test svolti e, seppur la permanenza in tali ambienti avrà una durata di gran lunga maggiore, si può ritenere che non subiranno danneggiamenti dovuti alle pressioni del ghiaccio, né infiltrazioni di acqua che potrebbero causare il malfunzionamento o addirittura il guasto completo del tag alloggiato all’interno. Nello specifico, ritenendo con buona approssimazione che la densità del ghiaccio, al variare della profondità, sia pari a circa 900 kg/m3 [1], ne deriva che le pressioni sviluppate nel materiale, tenuto conto della pressione atmosferica esercitata, sono quelle rappresentate nel grafico seguente. 8 Pressione(del(ghiaccio(al(variare(della(profondità(
6,00#
Pressione([bar](
5,00#
4,00#
3,00#
2,00#
1,00#
0,00#
0#
10#
20#
30#
40#
50#
60#
Profondità([m](
Test di trasparenza alle onde elettromagnetiche della capsula contenitrice La capsula realizzata per l'alloggiamento del tag RFID deve essere il più possibile trasparente alle onde elettromagnetiche generate dall'antenna per permettere le comunicazioni con il reader RFID presente sulla superficie innevata del ghiacciaio; tale trasparenza dipende dai materiali che la compongono. La capsula, di forma cilindrica con coperchio sommitale, è costituita da nylon sinterizzato con infiltratura in resina epossidica; essa presenta una costante dielettrica relativa pari a 2,9 (@22°C, 50%RH, 5V, 1000Hz) e una conduttività elettrica pari a 32,26 pS/m (@22°C, 50% RH, 500V) (dati forniti dal produttore). Al fine di appurarne la reale trasparenza alle onde elettromagnetiche, si è deciso di inserirla all'interno di un comune forno a microonde, per poi verificarne la temperatura sulla superficie. In caso di riscaldamento della capsula, si potrà dedurre che il materiale non è completamente trasparente alle microonde, in quanto parte della potenza RF che la attraversa viene trasformata in calore dall'effetto fisico noto come riscaldamento dielettrico, di cui viene riportata una breve descrizione nel seguito. Il riscaldamento dielettrico è quel fenomeno di aumento della temperatura del mezzo dovuto a perdite dielettriche nel materiale quando questo è attraversato da onde elettromagnetiche. Esso dipende dalla frequenza dell'onda e dal tipo di materiale utilizzato. Quando un’onda elettromagnetica colpisce la superficie di un materiale, la sua potenza incidente si scompone in una componente riflessa e in una trasmessa. La riflessione è tanto maggiore quanto più sono elevati la costante dielettrica relativa del mezzo e il fattore di perdita elettrica Ɛ”, definita come parte immaginaria della costante dielettrica relativa Ɛr. Ɛr = Ɛ' + j Ɛ” Allo stesso tempo, l'onda trasmessa si propaga attraverso lo strato di materiale cedendo ad esso energia. La potenza che viene dissipata è direttamente proporzionale a Ɛ” [2] ed è percepibile sotto forma di calore. Quindi il valore di Ɛ” è indicativo della proprietà di un materiale di assorbire o meno la potenza RF che lo attraversa. Nella pratica sperimentale, per comparare il fenomeno in due o più materiali si confronta il loro fattore di dissipazione, definito come tangente di perdita: tan δ = Ɛ” / Ɛ' Minore è la tangente di perdita, minore è la dissipazione all'interno del materiale. In tabella vengono riportati i valori per alcuni materiali isolanti: 9 I valori della tabella sono estratti da [2] e da [3]. Quindi, ad un maggiore riscaldamento del materiale corrisponde una maggiore potenza RF dissipata e, per sottrazione, ad una minore potenza RF disponibile all'estremo interno della capsula. Tra i materiali isolanti presentati in tabella, la resina epossidica ed il nylon, considerati separatamente, sono tra quelli con maggiore tangente di perdita. Sebbene sia nota la constante dielettrica relativa del materiale composito che costituisce la capsula contenitrice, non è noto il suo fattore di dissipazione. E' possibile però stimarlo. Infatti i valori delle due costanti dielettriche relative dei singoli elementi sono confrontabili (a basso contrasto di permittività) e una stima previsionale, attraverso l'adozione indifferente di uno dei modelli di calcolo indicati in [4], restituisce un valore medio di Ɛr della miscela di Nylon e Resina epossidica compreso tra le due permittività dielettriche relative. E' ragionevole dunque ipotizzare un fattore di dissipazione della miscela altrettanto confrontabile ai fattori di dissipazione dei singoli componenti. Il test di riscaldamento per circa un minuto alla potenza di 800 W messa a disposizione da un comune forno a microonde ha evidenziato un leggero ma sensibile aumento della temperatura dell'involucro e, in un caso, alla fusione locale del materiale con conseguente danneggiamento della capsula. La forma assunta dalla zona fusa si mostrava circolare con al centro un triangolo ben visibile e dai contorni ben netti. Si suppone si tratti di un difetto locale della capsula che, in fase di infiltratura resinica, ha inglobato una scaglia di un materiale conduttivo non meglio individuabile (metallo, legno umido, etc). 10 Caratterizzazione del tag Test di misure RF in campo libero attraverso il rilevamento dell’indicatore RSSI Per l'esecuzione dei test descritti nel presente documento, è stato necessario preventivamente scrivere il software per la realizzazione della console di comando dei dispositivi e un apposito firmware che consente di configurare il PCB realizzato sia come tag RFID, sia come reader RFID. La Console di comando del reader Infatti, sebbene l'hardware dei dispositivi sia identico, le funzioni che devono svolgere sono diverse. Si ricorda che il tag è il dispositivo dotato di sensori che rileva ciclicamente tutte le misurazioni, le memorizza e/o le trasmette al reader, quando questi lo interroga in modalità wireless. Quando non deve rilevare le misure, il tag si spegne per risparmiare energia. Il reader invece è il dispositivo che interroga i tag presenti nel raggio di copertura del segnale wireless, ne gestisce le comunicazioni e presenta i risultati alla console dell'operatore. Tre tag con le rispettive capsule contenitrici Le comunicazioni radio tra reader e tag sono bidirezionali (come nel caso di un canale di comunicazione ideale); pertanto si è deciso di rilevare il valore di potenza del segnale sia nella direzione reader verso tag, sia nella direzione opposta. Per misurare tale potenza si dispone del valore RSSI restituito dal microcontrollore utilizzato. 11 Il microcontrollore utilizzato sia per il tag che per il reader dispone di un modulo radio per le comunicazioni. Tra le svariate funzioni che esso svolge c'è anche quella di misura dell'intensità di segnale ricevuto ed il parametro che rappresenta questa misura è l'RSSI ovvero il Received Signal Strength Indicator. Valore di RSSI Come indicato nel documento di progettazione Design Note 505 [5] della Texas Instruments l'RSSI è una misura di potenza RF in ingresso al ricevitore. Il suo valore è basato sulle impostazioni di guadagno della catena di ricezione e sul livello di segnale misurato nel canale. Il valore restituito è in dBm (dB riferiti ad 1 mW) con una risoluzione di 1⁄2 dB. In generale, per simulare le condizioni reali d'impiego dei dispositivi, sono stati presi alcuni accorgimenti durante i test per effettuare le rilevazioni, ovvero che: •
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•
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le antenne dei dispositivi si trovino ad almeno una lunghezza d'onda dal suolo in modo da minimizzare l'influenza del terreno sulla resistenza di irradiazione; la distanza minima tra tag e reader soddisfi le condizioni di “campo lontano” [6]; l'ambiente circostante sia il più sgombro possibile da oggetti che possano introdurre riflessioni e cammini multipli dei segnali in radiofrequenza; il tag sia il più possibile distante dall'operatore, mentre il reader sia nelle sue immediate vicinanze (condizioni reali di utilizzo dei dispositivi). Le misure sono state eseguite in spazio libero, ossia senza ostacoli o riflessioni che alterano la propagazione del segnale, in due campagne diverse, presso la diga di Place Moulin e presso l’area verde della Grand Place di Pollein, quindi in ghiacciaio a Punta Helbronner. Misure in spazio libero – diga di Place Moulin Il giorno 17 ottobre, unitamente alle prove di tenuta stagna e resistenza alla compressione della capsula, è stato condotto il test di misure RF in spazio libero. Il test si è svolto sulla pavimentazione asfaltata del muro di cinta della diga di Place Moulin nel comune di Bionaz (AO), a circa metà del percorso che collega i due fianchi della montagna. Il muro di coronamento è protetto a destra e a sinistra da ringhiere metalliche e al centro della strada si rileva la presenza di pali metallici disposti regolarmente a circa 17 metri di distanza uno dall'altro. Le condizioni metereologiche erano eccellenti, nessuna presenza di neve o pioggia che avrebbe potuto interferire con i rilevamenti. Vista dal muro di coronamento della diga di Place Moulin (Bionaz, Valle d'Aosta). Foto scattata il giorno del test 12 Il ricevitore (il tag RFID) è stato chiuso all'interno della capsula contenitrice, montato su un palo di cartone rigido e posto a circa 1,30 metri di altezza dalla pavimentazione. Il palo veniva tenuto in posizione verticale da un operatore che di volta in volta si portava a distanze dal reader precedentemente stabilite. Allo stesso modo l'antenna del trasmettitore (il reader RFID) è stata posta alla stessa altezza dalla pavimentazione e mantenuta in posizione da un operatore che la impugnava dalla parte del cavo coassiale. Le misure sono state rilevate alle diverse distanze tra tag e reader facendo variare, per ciascuna distanza, la posizione nello spazio dell'antenna del reader in orizzontale rispetto alla pavimentazione, in verticale e perpendicolare all'asse dell'antenna del ricevitore. La distanza minima tra tag e reader è stata individuata in 3 metri, ovvero più di tre volte la lunghezza d'onda in modo da ritrovarsi nelle condizioni di campo lontano [6] rispetto all'antenna trasmittente. Per la rilevazione del valore di RSSI misurato dai dispositivi si devono considerare le seguenti condizioni di misura: • potenza dei trasmettitori (tag e reader): +10 dBm; • posizione dell'asse dell'antenna del reader: o O: orizzontale rispetto al suolo e parallelo rispetto all'asse dell'antenna del tag o V: verticale rispetto al suolo e perpendicolare rispetto all'asse dell'antenna del tag o ⊥: perpendicolare all'asse del tag e orizzontale rispetto al suolo Le tre posizioni sono visibili nelle immagini sotto riportate: O Orizzontale V Verticale ⊥ Perpendicolare 13 Le letture di RSSI (Received Signal Strenght Indicator) sono due e si riferiscono sia al segnale ricevuto dal reader nel verso di comunicazione dal tag verso il reader (TR), sia al segnale ricevuto dal tag nella direzione dal reader verso il tag (RT). In tabella sono riportati i valori in dBm di potenza in radiofrequenza ricevuta dal reader (colonna TR) e dal tag (colonna RT) alle varie distanze lineari tra tag e reader, ambedue posizionati a circa 1,3 metri dal suolo. Nella seconda tabella, denominata “Antenna e lato componenti rivolti verso il reader” si è voluto rivolgere verso il reader il lato del PCB su cui è montata l'antenna. Si ricorda che il piano di massa dell'antenna del tag è posizionato al di sotto del lato componenti del PCB, in mezzo agli strati di supporto. Si nota un generale miglioramento del segnale ricevuto quando l'antenna del reader è posta in posizione V e un duale peggioramento quando l'antenna è in posizione O. SEGNALE RICEVUTO DAL TAG E DAL READER IN dBm
Distanza [m]
O
V
3
7
10
TR
RT
TR
RT
TR
RT
TR
RT
-57
-53
-54
-52
-49
-48
-60
-56
-61
-55
-51
-55
-67
-60
-60
-62
-55
-55
-66
-63
-66
-61
-58
-61
TR
RT
TR
RT
TR
RT
TR
RT
-72
-68
-79
-68
-63
-74
-83
-82
-88
-79
-78
-86
-85
-83
-93
-83
-79
-91
-85
-92
-86
-82
-88
-83
Distanza [m]
O
V
5
20
30
50
100
SEGNALE RICEVUTO DAL TAG E DAL READER IN dBm
ANTENNA E LATO COMPONENTI RIVOLTI VERSO IL READER
Distanza [m]
O
V
3
5
7
10
TR
RT
TR
RT
TR
RT
TR
RT
-60
-49
-
-55
-43
-
-63
-53
-
-58
-48
-
-66
-65
-
-61
-60
-
-72
-60
-
-67
-55
-
Riportando i valori ottenuti su un grafico si ottiene quanto segue: 14 Volendo confrontare il comportamento in ricezione tra tag e reader si ottiene: 15 Il reader (nel grafico curva TR) riceve un segnale inferiore rispetto al tag (nel grafico curva RT). La differenza del segnale ricevuto tra i due dispositivi, che dovrebbe essere identico, nasce dal fatto che il reader monta un’antenna diversa e in una configurazione “allungata” dal cavo coassiale. Confrontando le misure che si ottengono ruotando il tag di 180° gradi, ovvero posizionandolo prima con il lato componenti verso il reader (lato FRONT) e poi ruotandolo di 180° (lato REAR) si ottengono le curve rappresentate nel grafico sottostante. 16 Gli ultimi due grafici evidenziano che esistono dei piani preferenziali del tag, dovuti all'esistenza di un lobo di irradiazione principale. L'andamento delle curve è identico, come è previsto dalla teoria, ma non il valore assoluto, poiché il reader perde sempre 5/6 dBm rispetto al tag. Questa è ancora un'evidenza dell'impiego di due antenne diverse. Infine, la misura a 7 metri di distanza tra i due dispositivi sembra essere falsata da particolari condizioni al contorno del luogo utilizzato per le misure. 17 Misure in spazio libero – Grand Place (Pollein) Il test si è svolto sull'ampio prato della Grand Place nel Comune di Pollein. Le condizioni meteorologiche erano buone, nessuna presenza di neve o pioggia che avrebbe potuto interferire con i rilevamenti. Il luogo di misura. Foto scattata il giorno del test Il ricevitore (tag RFID) è stato chiuso all'interno della capsula contenitrice, montato su un palo metallico e posto a circa 2 metri di altezza dal terreno. Il palo è tenuto in posizione verticale da un treppiede e posizionato di volta in volta alle distanze prestabilite. Allo stesso modo il trasmettitore (il reader RFID) è stato montato su un palo di cartone poi ancorato sul treppiede. A differenza delle misure effettuate presso la diga di Place Moulin, il reader disponeva della sua antenna montata su PCB come da progetto. La posizione dell'antenna del reader è stata mantenuta in posizione V per tutte le misure. Per le rilevazioni del valore di RSSI misurato dai dispositivi, valgono le considerazioni già riportate precedentemente e che per semplicità di lettura sono riportate di seguito: • Potenza dei trasmettitori (tag e reader): +10 dBm • Posizione dell'asse dell'antenna del reader: o V: Verticale rispetto al suolo e perpendicolare rispetto all'asse dell'antenna del tag Le letture di RSSI (Received Signal Strenght Indicator) si riferiscono al segnale ricevuto dal reader . 18 In tabella sono riportati i valori in dBm di potenza in radiofrequenza ricevuta dal reader alle varie distanze lineari tra tag e reader, ambedue posizionati a circa 2 metri dal suolo. Si nota un generale miglioramento del segnale ricevuto rispetto alle medesime condizioni sperimentate presso la diga di Place Moulin -­‐ Bionaz. Confrontando i valori misurati nelle due esperienze di Bionaz e Pollein si nota un miglioramento delle prestazione del reader quando l'antenna è montata su PCB come da progetto (situazione di Pollein). Il miglioramento si attesta sui 5/6 dBm. 19 Test di misure RF con tag posizionato su ghiacciaio Per le misure in radiofrequenza si sono adottati gli stessi accorgimenti descritti precedentemente e si ricorre sempre al rilevamento dell'indicatore RSSI così come sopra descritto. Il test si è svolto il giorno 18 ottobre a Punta Helbronner, nel Comune di Courmayeur (AO), a circa 3370 metri di quota slm, sul ghiacciaio del Colle del Gigante, in prossimità della linea di confine con il territorio francese. La temperatura esterna era di circa -­‐5 °C, il clima era soleggiato e si registrava assenza di vento durante tutta la giornata. Dal campo di misura, vista francese (foto in alto) e italiana (foto a basso) e Dente del Gigante (foto verticale) I tre tag RFID necessari al test sono stati chiusi all'interno delle rispettive capsule contenitrici, sigillate il giorno prima e posizionate il giorno della campagna di misura a varie profondità nella neve prima (per le profondità inferiori) e nel ghiaccio dopo (per profondità superiori ai 380 cm). Per posizionare il tag alla profondità stabilita si è utilizzata una sonda a vapore che ha permesso di semplificare le operazioni di scavo. In foto sono visibili la caldaia, la sonda che buca la superficie innevata e il posizionamento per caduta del tag. 20 Nella foto in basso a destra è possibile individuare il treppiede di sostegno dell'antenna del reader e una comune scatola di derivazione per circuiti elettrici contenente il PCB reader e la sua batteria. Per alcune misure l'antenna del reader è stata tenuta in posizione da un operatore che la impugnava dalla parte del cavo coassiale. Le misure sono state effettuate per diverse profondità di installazione dei tag e a diverse distanze in superficie tra reader e la verticale passante per il tag. Per ciascuna distanza tra tag e reader è stata variata l'altezza dell'antenna del reader rispetto alla superficie innevata, usando le seguenti tre quote: ● 1,2/1,3 metri dalla superficie; ● livello della superficie (quota zero); ● al di sotto della superficie innevata (variabile da 10 a circa 80 cm di profondità). I tre tag impiegati per il test sono stati identificati con i numeri 33, 44, 99 e utilizzati nel modo seguente: 21 1. il tag 33 è stato posizionato alle profondità di 35 e 80 cm e poi recuperato. 2. il tag 44 è stato posizionato alla profondità di 540 cm e non è stato recuperato alla fine dei test; la sua posizione GPS è la seguente: GPS tag #44: UTM ED50 32T 0339579 5079432; 3. il tag 99 è stato posizionato alla profondità di 320 cm e non è stato recuperato; la sua posizione GPS non è stata rilevata perché si trova a circa 1,5 m SE dal tag#44, distanza al di sotto della precisione dello strumento GPS utilizzato (± 4 m). Come già precedentemente riportato, per le rilevazioni del valore di RSSI misurato dai dispositivi si devono considerare le seguenti condizioni di misura: Potenza dei trasmettitori (tag e reader): +10 dBm Posizione dell'asse dell'antenna del reader: O Orizzontale rispetto al suolo e parallelo rispetto all'asse dell'antenna del tag V Verticale rispetto al suolo e perpendicolare rispetto all'asse dell'antenna del tag ⊥ Perpendicolare all'asse del tag e orizzontale rispetto al suolo Le tre posizioni sono visibili nelle immagini già precedentemente riportate, che per comodità di lettura vengono di seguito riproposte. O Orizzontale V Verticale ⊥ Perpendicolare Come per le misure in campo libero, le letture di RSSI (Received Signal Strenght Indicator) sono sempre due e si riferiscono sia al segnale ricevuto dal reader nel verso di comunicazione Tag verso il reader (TR) sia al segnale ricevuto dal tag nella direzione opposta, reader verso tag (RT). Nelle tabelle sottostanti sono riportati i valori in dBm di potenza in radiofrequenza ricevuta dal reader (colonna TR) e dal tag (colonna RT), alle varie distanze lineari tra l'antenna del reader e la verticale passante per il tag e alle varie profondità a cui è stato posto il tag e nella neve e nel ghiaccio. Per ogni misura è evidenziato anche l'orientamento e la quota dell'antenna rispetto alla superficie. 22 L'ora della rilevazione è stata riportata per eventuali confronti con i file di log generati dal reader RFID. SEGNALE RICEVUTO DAL TAG E DAL READER
TAG # 33
TR [dBm]
RT [dBm]
-55
-57
-46
-45
-42
-54
-55
-45
-43
-40
TR [dBm]
RT [dBm]
80 cm
-42
-46
-54
-51
-50
-49
-41
-40
-45
-52
-50
-49
-48
-40
TAG # 99
TR [dBm]
RT [dBm]
GPS UTM ED50
non rilevato
1,5 m SE da TAG#44
-49
-49
-52
-58
-57
-57
-52
-49
-49
-53
-58
-56
-57
-53
TAG # 44
TR [dBm]
RT [dBm]
-58
-75
-68
-58
-75
-68
(recuperato)
35 cm
TAG # 33
(recuperato)
320 cm
540 cm
GPS UTM ED50
32T 0339579
5079432
Distanza
Reader to
TAG (m)
4,5
3
3
0
1,5
Distanza
Reader to
TAG (m)
0
3
4,5
4,5
4,5
4,5
0
Distanza
Reader to
TAG (m)
3
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
0
Distanza
Reader to
TAG (m)
0
0
1,5
H antenna
reader (cm)
Direz.
Antenna
Prof. TAG
(cm)
ORA
120
120
120
100
-10
O
O
V
O
O
35
35
35
35
35
10:27
10:31
10:34
10:36
10:39
H antenna
reader (cm)
Direz.
Antenna
Prof. TAG
(cm)
ORA
150
150
150
-10
0
-50
0
O
O
O
V
O
V
O
80
80
80
80
80
80
80
11:15
11:18
11:22
11:23
11:24
11:25
11:26
H antenna
reader (cm)
Direz.
Antenna
Prof. TAG
(cm)
ORA
110
110
-10
-70
-70
-70
0
O
O
O
O
V
V
O
320
320
320
320
320
320
320
12:56
12:57
12:59
13:03
13:05
13:06
13:09
H antenna
reader (cm)
Direz.
Antenna
Prof. TAG
(cm)
ORA
120
-10
-80
O
O
O
540
540
540
14:38
14:40
14:42
NOTE:
90 cm di neve ributtata
Confronto delle misure in campo libero e in ambiente glaciale Si riportano di seguito le tabelle riassuntive con i dati confrontabili delle misure effettuate a Punta Helbronner con quelle rilevate prima a Bionaz e poi a Pollein, in campo libero (free space). 23 Nella prima tabella, quella a sinistra, sono riportati valori di potenza ricevuta dal reader (colonna TR) e dal tag (colonna RT) nelle due condizioni sopra descritte. Nella seconda tabella a fianco sono riportati i parametri importanti che qualificano le rispettive misure. L'ultima colonna “Distanza in superficie reader -­‐ tag (m)” riporta appunto la distanza sulla superficie innevata del ghiacciaio tra il reader e la verticale passante per il tag. In questa colonna e per la sola profondità di 320 cm sono stati riportati i valori di TR e RT in ghiaccio relativi ad una distanza di 3 metri in quanto mancava la rilevazione a distanza nulle. E’ da rilevare che la posizione orizzontale dell’antenna del reader risulta essere la meno vantaggiosa in termini di potenza ricevuta, come evidenziato da analisi condotte successivamente. Secondo quanto riportato nel grafico sopra, alle profondità di 540 cm e 320 cm il reader sembra ricevere meglio il tag sepolto in neve e ghiaccio rispetto a quello posto in campo libero (linea gialla). Si presuppone invece che, rispetto al campo libero, l'aggiunta di uno strato di neve e ghiaccio debba attenuare il segnale e quindi ottenere misure inferiori. Questa difformità di valori misurati rispetto a quelli attesi è da attribuire alle condizioni di misura in campo libero condotte a Bionaz: l'utilizzo dell'antenna del reader con cavo coassiale ha allontanato l'elemento radiante dal suo piano di massa (rappresentato dal PCB stesso) e ne ha modificato la risonanza, annullandola del tutto. Infatti successivamente alle misure in campo è stata verificata la condizione di cui sopra in laboratorio; con l'ausilio dell'Analizzatore Vettoriale di Reti è stato possibile visualizzare a monitor la 24 risonanza e verificare la sua assenza in base alla tipologia di collegamento dell'antenna (diretto su PCB nel primo caso e con cavo coassiale nel secondo). Pertanto si è deciso di replicare l'esperienza di Bionaz effettuando nuove misure in campo libero a Pollein (vedi pagina 15). I nuovi risultati sono di seguito riportati per un confronto con quelli ottenuti in ambiente glaciale eseguiti a Punta Helbronner. Nel confronto tra i due grafici si nota immediatamente che le due linee parallele relative alla misura in campo libero (TR Free e RT Free) sono posizionate più in alto, ovvero ricevono un segnale migliore, e sono più vicine tra di loro, indicando l'uniformità di comportamento tra letture del tag e del reader. Le due coppie di linee (in campo libero e in ghiaccio) differiscono anche per la pendenza, più pronunciata nel gruppo di misure in ghiaccio, a indicare una maggiore attenuazione del segnale al crescere della distanza tra tag e reader. La maggiore pendenza è quindi solo una conferma della teoria che prevede una decadenza del segnale maggiore rispetto allo spazio libero per l'interposta presenza di neve e ghiaccio lungo il cammino delle onde elettromagnetiche. 25 Stratigrafia della neve il giorno del test Per poter indagare le proprietà fisiche ed elettriche del ghiaccio e della neve, è importante conoscere con buona approssimazione come varia la loro densità all’aumentare della profondità. Tale conoscenza permetterà di individuare il possibile legame tra questo parametro e le attenuazioni che il segnale radio incontra nel suo tragitto dal punto emittente (reader) al punto ricevente (tag) sepolto nel ghiacciaio. Pertanto, per poter analizzare le caratteristiche del canale di comunicazione è stata eseguita una stratigrafia della neve. Sull'area individuata per effettuare le misure risultavano depositati sul ghiaccio circa 3,8 metri di neve, con stratigrafia riportata nella seguente tabella [7]: A1
A2
A3
Limite#superiore#
strato
(cm#da#base#profilo)
120
61
50
A4
35
B
0
ID#strato
Limite#inferiore#
Spessore#strato Densità# SWE#strato#
strato
Note
(cm)
[mm#we]
[kgm <3]
(cm#da#base#profilo)
61
59
350
20,65
Neve,recente
50
11
300
33,00
Neve,recente,con,alternanza,croste
35
15
410
61,50
Alternanza,croste
Misura#imprecisa:#difficile,campionare,per,forte,
0
35
525
183,75 presenza,di,croste,all'interno,dello,strato
260
260
490,5
1275,3
Stima,effettuata,assumendo,che,gli,strati,non,
indagati,(strato,B),possiedano,una,densità,
media,equivalente,a,quella,dei,due,strati,di,neve,
non,recente,(A3,e,A4)
TOTALE#STRATO#
NEVE
380
463,2
1760,05
La,densità,dell'intero,strato,B,è,la,media,
ponderata,dei,singoli,strati,rispetto,allo,strato,
totale,di,neve
E' stato possibile misurare la densità solo dei primi 120 cm di neve rispetto ai totali 380 cm, poiché la forte presenza di croste negli strati più profondi rendevano la campionatura di difficile esecuzione. La densità dei rimanenti 260 cm di neve non indagata (strato B) sono stati stimati essere pari alla media ponderata dei due stati di neve meno recenti (strati A3 e A4). Pertanto, si stima che localmente la densità media dello strato di neve al di sopra del ghiacciaio sia pari a 463,2 Kg/m3. Le caratteristiche elettromagnetiche del manto nevoso sono legate alla velocità del segnale radio che lo attraversa, in particolare all’aumentare del contenuto di acqua liquida la propagazione del segnale radio sarà più attenuata, dunque è conoscendo il valore della densità della neve che sarà possibile stimare la sua costante dielettrica [8] e caratterizzare con maggior dettaglio il canale di comunicazione tra tag e reader soprattutto in termini di attenuazione per riflessione alle interfacce aria/neve e neve/ghiaccio. Con le misure di conduttività elettrica si potranno poi stimare le attenuazioni all'interno dello strato di neve considerato attraverso le formule indicate in [9]. Inoltre la densità della neve misurata consentirà di confrontare le misure di conduttività effettuate durante il giorno dei test con quelle presenti in bibliografia [10] [11]. 26 Caratterizzazione del PCB Modulo radio Per verificare i livelli di potenza trasmessa dichiarati dal costruttore del modulo radio e della corretta realizzazione del PCB due dispositivi sono stati scelti e collegati direttamente uno all'altro, sostituendo le antenne con degli attenuatori di valore noto. E' stata quindi eliminata la parte aerea del collegamento. I valori di RSSI letti dai due dispositivi corrispondono ai livelli di potenza impostati come da caratteristiche elettriche del costruttore. Ciascun dispositivo è stato poi collegato all'analizzatore di rete constatando di nuovo la corrispondenza tra i valori dichiarati e quelli misurati (a meno delle attenuazioni introdotte dal cavo di collegamento). Questa verifica ha permesso quindi di validare la realizzazione dei PCB . Antenna Misure al connettore d'antenna per la verifica dell’adattamento a 50 Ohm Come suggerito dal produttore [12] la misura al connettore d'antenna del PCB realizzato permette di verificare il reale e corretto adattamento operato dal Balun e dalla rete di adattamento che si trova all'uscita del modulo radio del SoC. Prima di effettuare la misura, il modulo radio è stato impostato in ricezione (RX Mode) e poi il connettore d'antenna è stato collegato all'analizzatore vettoriale di reti in modo da poter monitorare il parametro S11 della matrice di scattering, ovvero il coefficiente di riflessione in tensione. Esempio di rete di adattamento a Pi-­‐Greco e Balun impiegati nei Moduli di Valutazione CC24xx, CC25xx della Texas Instrument, e analogamente applicabili al PCB realizzato La potenza d'uscita dell'analizzatore è stata impostata a valori di circa -­‐40 dBm in modo da non saturare l'LNA (Low Noise Amplifier) del modulo radio e non alterarne quindi l’impedenza d'ingresso. Così impostata la misura, il valore di impedenza ricercata dovrebbe essere il più possibile vicino al valore ideale di 50+j0, alla frequenza di lavoro (315 Mhz). Risultati delle Misure all'Analizzatore Vettoriale di Rete Il PCB utilizzato per le misure con l'analizzatore vettoriale marca ROHDE&SCHWARZ modello ZVL13, seguendo le indicazioni del paragrafo precedente e con potenza d'uscita dalla porta 1 dell'analizzatore di -­‐
40 dBm, presentava al connettore d'antenna un'impedenza pari a: Zin = 37,58 + j 0,751 Ω 27 Si riportano le immagini dell'analizzatore congelate durante la misura: Con una potenza di ingresso al connettore d'antenna del PCB di -­‐30 dBm, l'impedenza misurata era pari a: Zin = 37,01 + j 2,19 Ω 28 I risultati delle misure indicano che il valore teorico di 50 Ohm puramente resistivo (ovvero con parte immaginaria al limite molto piccola) non sono è esattamente realizzati realizzato; d’altronde i componenti , (resistenza, condensatori e induttanze) sono di tipo commerciale, la cui precisione si attesta tra il 20% e il 5% del valore di targa. 29 Ciononostante il coefficiente di riflessione VSWR (Voltage Stationary Wave Ratio) presente al connettore d'antenna dovuto al disadattamento tra i valori di impedenza teorici e quelli reali si attesta intorno a: VSWR = 1,326:1 (@315 Mhz, -­‐30 dBm). Questo valore viene comunemente considerato in letteratura come un valore pienamente accettabile per il corretto funzionamento del trasmettitore in trasmissione, sebbene i valori ancora più vicini all'unità (1:1 o 1,1:1) siano l’obiettivo in fase di progetto. Comunque, la precisione dei componenti utilizzati e le necessità di mantenere bassi i costi di realizzazione del prototipo non consentono di ottenere risultati migliori. L'obiettivo rimane sempre quello di irradiare tutta, o più realisticamente la gran parte, della potenza RF fornita dal trasmettitore. Per valutare se questo obiettivo è stato raggiunto con gli attuali PCB è necessario conoscere le caratteristiche fisiche e di irradiazione dell'antenna elicoidale impiegata nel progetto (in modo da poter considerare, come è corretto che sia, l'intero sistema radiante, costituito dalla linea di alimentazione in radiofrequenza e antenna). Al termine delle misure sarà possibile stimare quanta potenza RF lascia realmente l'antenna. Impedenza dell'antenna elicoidale Misure al VNA del PCB senza componenti ma con antenna a elica. Per misurare l'impedenza dell'antenna utilizzata quando essa è montata sul suo PCB si è operato nel seguente modo: ● preso un PCB senza componenti, è stata scollegata la pista stampata che alimenta l'antenna grattando via il materiale conduttivo; ● in corrispondenza dell'antenna e sulla faccia opposta è stato saldato un connettore SMA da PCB (Through Hole); ● il connettore è stato collegato alla Porta 1 dell'analizzatore vettoriale; ● l'analizzatore è stato impostato per fornire alla Porta 1 un segnale di potenza pari 0 dBm in un ampio intervallo di frequenze centrato sui 315 Mhz; ● il valore osservato è stato l’S11 (rapporto tra potenza riflessa e potenza fornita) e la corrispondente 30 impedenza caratteristica nel momento di risonanza dell'antenna (minimo di S11). Questa procedura si è resa necessaria per considerare correttamente l'antenna vicina al suo piano di massa, rappresentato dallo strato conduttore che funge da massa elettrica dell'intero PCB (esso è visibile in trasparenza quando si pone il circuito stampato contro una forte luce). Dopo vari tentativi non è stato possibile osservare la risonanza dell'antenna elicoidale e quindi nemmeno di rilevare la sua impedenza. Inoltre, la minima variazione della distanza dal PCB, sia in verticale in orizzontale (inclinando leggermente l’asse dell'antenna rispetto al piano definito dal PCB), cambia sensibilmente i valori di impedenza (tutti molto alti rispetto ai 50 Ohm teorici ricercati). Questa “sensibilità” al montaggio non garantisce la ripetibilità della misura e probabilmente nemmeno la costanza di risultato per un’eventuale produzione in serie dei dispositivi (a meno di una taratura pezzo per pezzo). Invece, per l'antenna stilo a vite (quella nera con gommino), è stato possibile osservare la risonanza. Sempre per l'antenna stilo, il montaggio a vite garantisce la ripetibilità della misura (conferma strumentale dopo aver più volte montato e smontato l'antenna dalla sua sede) e quindi (probabilmente) l'uniformità di risultato su un’eventuale produzione di serie dei dispositivi, senza necessità di taratura. Pertanto se ne conclude che, per la ricezione il dispositivo non presenta alcun problema. Per quanto riguarda la trasmissione, invece, se si desidera aumentarne la potenza, è necessario modificare l'attuale configurazione dell'antenna elicoidale o installare l'antenna stilo a vite. Con le potenze di progetto attuali non si riscontra comunque alcun problema di collegamento tra i dispositivi, negli intervalli di distanza finora considerati. Stima dell’impedenza dell’antenna elicoidale Il rapporto di onda stazionaria dichiarato dal costruttore, quando l'antenna è montata in modo parallelo rispetto al piano di massa, è pari a: VSWR = 3,2:1 Pertanto il valore del modulo del coefficiente di riflessione è pari a: ∣Γ∣ =
VSWR− 1
= 0.524
VSWR+ 1
che su un sistema con impedenza caratteristica pari a 50 Ω indica un valore del modulo dell'impedenza dell'antenna di circa 160 Ω. Il sistema progettato presenta al connettore d'antenna un modulo d'impedenza di circa 37 Ω. Pertanto si possono calcolare i seguenti valori: • coefficiente di riflessione, |Γ| = 0.624 • rapporto di onda stazionaria in tensione, VSWR = 4.32:1 Le grandezze sopra calcolate serviranno alle valutazioni successive circa la caratterizzazione del PCB. Posizionamento del tag RFID tramite misure di potenza ricevuta Caratterizzazione del canale di comunicazione Il canale di comunicazione che le onde elettromagnetiche devono percorrere è costituito sostanzialmente da uno strato di neve e di ghiaccio e da un breve tratto in aria. La conoscenza dei parametri elettrici di questi mezzi trasmissivi consente di indagare con più consapevolezza i parametri radioelettrici del dispositivo realizzato e di studiare un algoritmo per il posizionamento del tag sommerso attraverso una lettura dei parametri elettromagnetici in superficie. L’importanza del canale di comunicazione è fondamentale per conoscere l’ubicazione del tag nel ghiaccio, infatti, determinando con buona precisione le variabili che caratterizzano il canale, sarà possibile calcolare la potenza ricevuta e quella trasmessa e da esse risalire alla distanza che separa la fonte emittente del segnale (reader) dal tag. 31 Pertanto nelle sezioni che seguono vengono presentati gli studi intrapresi in sede e le misure effettuate sul campo allo scopo di poter meglio comprendere le caratteristiche del canale di comunicazione tra il tag e il reader. Il canale di comunicazione può essere cosi descritto: Pr = Pt⋅ FSPL⋅ (1− ∣ Γ AS∣ 2)⋅ (1− ∣ NaSnow∣2 )⋅ (1− ∣Γ SI ∣2)⋅ (1− ∣ N Ice∣2 )⋅ (1− ∣Γ IC∣ 2)⋅ (1− ∣Γ CA∣2 )
con Free Space Path Loss ( FSLP)= Gt (θt , ϕt ) G r (θr , ϕr )(1− ∣Γ t∣ )⋅ (1− ∣Γ r∣ )
2
2
λ 2⋅∣ ρ⃗ ⋅ ρ⃗ ∣2
t
r
4πd
(
)
(1 – |Γ |2) = Coefficienti di Trasmissione AS interfaccia Air/Snow N = Coefficente di Attenuazione “dielettrica” AS interfaccia Air/Snow SI interfaccia Snow/Ice IC interfaccia Ice/Capsule CA interfaccia Capsule/Air Pr potenza ricevuta Pt potenza trasmessa Si trascura la perdita per riscaldamento dielettrico del sottile strato della capsula. Nel seguito si analizzeranno i singoli contributi della formula matematica sopra riportata (o si valuteranno le strategie migliori in termini di economicità del progetto per la determinazione dei suddetti contributi). Per l'attenuazione N si verificherà la possibilità di utilizzare quanto descritto da Matsuoka [9], sia per la neve sia per il ghiaccio, secondo la formula seguente: •
•
•
•
•
•
•
•
•
N=
con •
•
•
1000(log e)
σ
cε0⋅ √ε
ε0 Costante dielettrica del vuoto ε Costante dielettrica della neve o del ghiaccio σ Conducibilità elettrica della neve o del ghiaccio Calcolo della distanza in condizioni di “Spazio Libero” La potenza ricevuta nello spazio libero e nella zona di campo lontano dell'antenna trasmittente, ovvero ad una distanza dal trasmettitore superiore a 2D2/, dove D è la più grande dimensione di ciascuna delle due antenne (per il calcolo di D si faccia riferimento a [13]), è data dalla equazione della trasmissione di Friis [14]: 2
Pr
2
2
2
= e cdt e cdr D t (θt , ϕt ) D r (θr ,ϕr )(1− ∣Γ t∣ )⋅ (1− ∣Γ r∣ ) λ ⋅∣ ρ⃗ t⋅ ρ⃗ r∣
Pt
4π d
(
)
dove: • i pedici t e r indicano “trasmissione” e “ricezione”; • Γ è il coefficiente di riflessione dovuto al disadattamento di impedenza tra l'antenna e il connettore o il punto di alimentazione dell'antenna stessa; •  è la lunghezza d'onda; • d è la distanza tra le due antenne; •
•
∣ ⃗ρ ⋅ ⃗ρ ∣2
il termine t r indica il prodotto scalare tra i versori di polarizzazione delle due antenne e fornisce un’indicazione sul disadattamento di polarizzazione delle due antenne; infine con il termine e cd D(θ , ϕ) si indica il prodotto tra l'efficienza di irradiazione dell'antenna e la direttività D, funzione degli angoli theta e phi (rispettivamente elevazione e azimut). Per definizione [15] il suddetto prodotto è esattamente il guadagno dell'antenna nella direzione theta e phi. Il 32 guadagno d'antenna per definizione non include le perdite dovute a disadattamenti di impedenza o di polarizzazione. Pertanto possiamo riscrivere la formula di Friis nella seguente forma: 2
Pr
2
2
2
= G t (θt , ϕt )G r (θr , ϕr )(1− ∣Γ t∣ )⋅ (1− ∣Γ r∣ ) λ ⋅∣ρ⃗ t⋅ ρ⃗ r∣
Pt
4π d
(
)
Quando le antenne in trasmissione e in ricezione sono allineate secondo le direttrici di massima direttività (e quindi di massimo guadagno) e la polarizzazione è parallela possiamo scrivere: Pr
2
2
= G 0t G 0r (1− ∣Γ t∣ )⋅ (1− ∣Γ r∣ ) λ
Pt
4πd
(
con G0 il massimo guadagno dell'antenna. Trasformando in dBm si ottiene: 2
) ( )
P − P t = G 0t + G 0r + 10log [(1− ∣Γ t∣2)⋅ (1− ∣Γ r∣ 2) ]+ 20log λ − 20log d
4π
dBm
dBi
dBi
r
dBm
Se i due dispositivi trasmittente e ricevente sono identici nella costruzione è possibile ipotizzare una sostanziale uniformità di comportamento e semplificare ulteriormente la formula nel modo seguente: ( )
P − P t = 2⋅ G 0+ 2⋅ 10log (1− ∣Γ ∣2)+ 20log λ − 20log d
4π
dBm
dB
r
dBm
da cui è possibile ricavare la distanza d tra il trasmettitore e il ricevitore, essendo note tutte le altre grandezze. La formula vale in condizioni di spazio libero. Nella realtà l'ambiente circostante influenza la misura a causa del contributo delle riflessioni e delle diffrazioni che ciascun elemento (terreno, edifici, oggetti, animali etc.) introduce nei dintorni dell'antenna. Calcolo numerico degli elementi della formula di Friis. Lunghezza d'onda Nel caso in esame, la frequenza di lavoro è pari a f=315 MHz, pertanto λ = c/f = 0,952 m (con c=299,792 Km/s); Coefficente di trasmissione Considerando le misure di laboratorio che identificano l'impedenza Z∞ al connettore d'antenna pari a circa 37 Ohm e l'impedenza ZL del sistema Antenna -­‐ Piano di massa a 315 Mhz indicativamente pari a 160 Ohm (nell'attesa di ripetere la misura di laboratorio si utilizza il valore dedotto dai dati di targa del produttore dell'antenna ad elica per l'impedenza ZL; per il calcolo vedi sopra) si ottiene un coefficiente di riflessione del valore di Γ=
Z L− Z ∞
= 0,624 (− 2.05 dB)
Z L+ Z ∞
pertanto il coefficiente di trasmissione vale: 1− ∣Γ ∣ 2 = 0,611 (− 2,14 dB) Poiché il sistema ricevente e il sistema trasmittente sono costruttivamente identici, se posti nelle medesime condizioni ambientali, mostrano in prima approssimazione gli stessi valori sopra calcolati1. 1 Nella reale situazione di misura il tag è posizionato all'interno di un guscio che è poi immerso nel ghiaccio a una distanza dalla superficie rocciosa non nota a priori mentre il reader è confezionato all'interno di un contenitore di plastica, tenuto in mano da un operatore e ad una distanza dal suolo roccioso non nota a priori. Poiché la distanza dal suolo roccioso dovrebbe comunque essere superiore a 10 volte la lunghezza d'onda è possibile ipotizzare che una delle variazioni sostanziali al valore di impedenza 33 Riscrivendo la formula con i dati fin qui calcolati si ottiene: 20log d = − P r + P t + 2⋅ G − 26.69
dBm
dBm
dB
Il Guadagno Si può misurare il guadagno G0 attraverso una caratterizzazione completa dell'antenna in camera anecoica o desumere dalle misure effettuate dal produttore [16] del SoC (che ha utilizzato un'antenna equivalente, ref: Evaluation PCB #16), ma accettando eventuali e non note difformità di comportamento tra i diversi dispositivi realizzati. Questa seconda strada non consente però di effettuare valutazioni sulla reale precisione di posizionamento del tag alla distanza d degli apparati realizzati. Guadagno dedotto dai dati di targa Dalla documentazione fornita dal produttore [16] [17], nelle condizioni realizzative simili a quelle ora in esame ma con una potenza al Tx pari a 0 dBm, risulta un guadagno massimo pari a G0 = -­‐5,21 dB (Phi = 225 deg; Theta = 150 deg; Pol = Ver). Di fronte al tag G0 = -­‐9,30 (Phi = 90 deg; Theta = 0 deg; Pol = Ver). Breve calcolo per applicare la formula matematica in campo libero con il valore di guadagno appena trovato: Calcolando con Pt = 0 dBm si ottiene: Pr = 2 (-­‐9,30) + 2(-­‐2,14) -­‐22,41 -­‐20 log d Pr = -­‐ 45,29 -­‐20log d Calcolando con Pt = 10 dBm si ottiene: Pr = 10 + 2 (-­‐9,30) + 2(-­‐2,14) -­‐22,41 -­‐20 log d Pr = -­‐ 35,29 -­‐20log d Sopra al tag G0 = -­‐9,72 (Phi = 90 deg; Theta = 90 deg; Pol = Ver). Calcolando con Pt = 0 dBm si ottiene: Pr = 2 (-­‐9,72) + 2(-­‐2,14) -­‐22,41 -­‐20 log d Pr = -­‐ 46,13 -­‐20log d che l'antenna presenta nelle due condizioni è rappresentata dalla vicinanza dell'uomo e di oggetti in prossimità della stessa. 34 A seconda poi dell'orientamento della capsula contenente il tag e l'orientamento del reader si otterranno valori maggiori o minori dovuti al relativo guadagno nella direzione di collegamento e eventuali disadattamenti di polarizzazione. Nei tre esempi numerici si nota la dipendenza esplicita e semplice tra la distanza alla quale si trova il tag e la potenza ricevuta dal reader. Purtroppo le semplificazioni introdotte non consentono di usare direttamente queste equazioni per trovare il tag quando è sepolto in neve, ma bisognerà approfondire l'argomento ed effettuare misure al fine di validare una metodologia robusta per il posizionamento del tag. Guadagno con diagramma di irradiazione Il calcolo del guadagno attraverso il diagramma di irradiazione richiede più spazio e pertanto si rimanda ad un successivo paragrafo intitolato “Diagramma di Irradiazione”. Effetto della capsula contenitrice La capsula contenitrice è composta di una miscela di nylon e resina epossidica il cui valore di epsilon è 2,9. All'interfaccia quindi si genera una riflessione e una trasmissione dell'onda elettromagnetica proporzionale a: Γ=
√ε1− √ε2
√ε1+ √ε2
dove ε1 e ε2 sono le costanti dielettriche del mezzo 1 e del mezzo 2 che rispettivamente l'onda elettromagnetica attraversa. Quindi il segnale generato all'interno della capsula nel propagarsi all'esterno incontra due superfici di discontinuità nel suo cammino: la prima discontinuità è l'interfaccia aria-­‐capsula, la seconda è l'interfaccia reciproca capsula-­‐aria. I moduli dei coefficienti di riflessione delle due interfacce sono identici e pari a: • |Γ| = 0,26 • Il coefficiente di trasmissione: • 1-­‐|Γ|2 = 0,93 (-­‐ 0,3 dB) Pertanto, se si trascura l'assorbimento del sottile strato di miscela dielettrica che costituisce la parete della capsula, la capsula introduce un perdita per riflessione (Reflection Loss) pari a due volte il valore di 0,3 dB. La formula che mette in relazione la potenza ricevuta e la distanza del tag può essere corretta quindi sottraendo al secondo membro ulteriori 0,6 dB. 35 Diagramma di irradiazione La rilevazione del diagramma di irradiazione dell'antenna elicoidale del tag RFID è stata effettuata ponendo il dispositivo di fronte ad un'antenna in ricezione a 15 metri di distanza in campo libero e misurando la potenza del segnale ricevuto (si intende per campo libero lo spazio tra antenna e dispositivo, anche se purtroppo altri elementi potevano essere presenti intorno agli strumenti, data la difficoltà di trovare un luogo ottimale all’esecuzione del test in relazione al clima invernale e alla disponibilità sul posto selezionato di energia elettrica). Il tag, montato su un sostegno girevole a 360 gradi (cavalletto nero in foto) trasmetteva continuamente un segnale a 315MHz con una potenza al connettore d'antenna pari a 10 dBm. 36 L'antenna di ricezione, una Yagi 5 elementi montata su un sostegno fisso (cavalletto argento in foto) e montata a pari altezza dal suolo rispetto al tag, era collegata allo strumento di misura per la rilevazione della potenza. La suddetta antenna è stata costruita per questo esperimento e le sue caratteristiche sono state analizzate al VNA. Lo strumento utilizzato per le misure è all'analizzatore di spettro Agilent E4404B (nella foto in alto) così configurato: Frequenza Centrale 315 MHz Span 10 MHz Livello di riferimento 10 dBm Attenuazione 20 dBm Opzione di misura MAX HOLD Si Risoluzione della Larghezza di Banda 1 MHz Per i nomi e le convenzioni di segno del diagramma si è adottato lo standard IEEE Std 149-­‐1979 (R2008) [18]. Per comodità di lettura si riporta la figura n.2 dello standard che rappresenta lo standard del Sistema di Coordinate Sferiche utilizzato per le misure di Antenna: 37 Il piano orizzontale o azimutale è descritto dall'angolo φ (phi), con lo zero sull'asse x e positivo verso l'asse y. L'angolo phi è compreso tra 0 e 360 gradi. Il piano verticale o di elevazione è descritto dall'angolo θ (theta), con lo zero sull'asse z e positivo verso il piano xy. L'angolo theta è compreso tra 0 e 180 gradi. Per diagrammare sul piano azimutale la capsula è stata posizionata in verticale, a 1,7 metri dal suolo e poi fatta ruotare sul proprio asse maggiore di 360 gradi. Per diagrammare invece sul piano di elevazione, la capsula è stata riposizionata a 90 gradi (parallela a suolo a 1,55 metri dal suolo) e poi fatta ruotare di 180 gradi. Questa esecuzione è stata resa necessaria poiché la testa del cavalletto consente la sola rotazione sul piano orizzontale. Ciascun diagramma è stato rilevato due volte: la prima con polarizzazione verticale dell'antenna di ricezione (la Yagi 5 elementi) e la seconda con polarizzazione orizzontale (ruotandola di 90 gradi). Come risultato si disporrà dunque di 4 diagrammi così denominati: Azimuth (Pol. V) e (Pol. O) Elevazione (Pol. V) e (Pol. O) Nelle immagini sottostanti è possibile visualizzare le configurazioni utilizzate nelle rilevazioni e il sistema di riferimento adottato. 38 Per le misure sul piano azimutale il tag è posizionato come in foto: z
y
x
Per le misure sul piano di elevazione: y
y
x
z
z
x
39 Azimuth (phi) φ
x
y
z
Elevazione (tetha) z
θ
I dati raccolti sono stati analizzati e diagrammati con Octave [19], programma di calcolo open source simile a Matlab. Gli script utilizzati per la presentazione delle informazioni con diagramma polare sono quelli elaborati da Balanis [14] e distribuiti nel CD-­‐ROM a corredo del suo libro. Originariamente sviluppati per l'ambiente Matlab, per l'occasione sono stati adattati al funzionamento con Octave. Nel presentare i risultati si è deciso di adottare la Misura del Guadagno Assoluto (Absolute-­‐Gain) con il Metodo della Antenna-­‐Duplice (Two-­‐Antenna Measurement) [rif. Balanis, pag 1029] perché consente di misurare il Guadagno congiunto dell'intero sistema delle due antenne (trasmissione e ricezione) senza la necessità di dover disporre di una costosa antenna di misura (nota in tutte le sue caratteristiche radiolettriche). Infatti, se avessimo voluto diagrammare il Guadagno della sola antenna ad elica del tag, 40 avremmo dovuto conoscere sia il Guadagno dell'antenna ricevente per ogni angolo phi e theta (che al momento non disponiamo), sia la potenza totale irradiata nell'angolo solido 4π per poter passare dalle misure di direttività ai valori di guadagno (valori comunque ottenibili effettuando le misure, oltre che sul piano equatoriale e longitudinale, su tutta la sfera). Poiché le condizioni di misura in cui è stata svolta la rilevazione non possono essere considerate esattamente equivalenti a quelli dello spazio libero, è possibile accettare una minor conoscenza delle singole componenti del sistema trasmissione-­‐ricezione (Efficienza, Guadagno, perdite per riflessione al trasmettitore e al ricevitore, perdite di polarizzazione etc.) e ottenere un unico valore che le contiene tutte. Pertanto, considerando ancora l'equazione di Friis 2
Pr
2
2
2
= e cdt e cdr D t (θt , ϕt ) D r (θr ,ϕr )(1− ∣Γ t∣ )⋅ (1− ∣Γ r∣ ) λ ⋅∣ ρ⃗ t⋅ ρ⃗ r∣
Pt
4π d
(
)
è possibile riscriverla nella seguente forma: (
Pr 4 π d
Pt λ
)= e
2
e cdr D t (θt , ϕt ) D r (θr , ϕr )(1− ∣Γ t∣ )⋅ (1− ∣Γ r∣ )⋅∣ ρ⃗ t⋅ ρ⃗ r∣
2
cdt
2
2
dove il primo termine è noto a seguito della misura di potenza ricevuta, mentre il secondo termine è il prodotto di tutti gli elementi che non si conoscono ancora al momento della rilevazione e rappresenta il “Guadagno Assoluto” del sistema utilizzato nella misura. Più precisamente il Guadagno Assoluto (GA) è il prodotto di: • guadagni delle due antenne per gli angoli (phi , theta) considerati durante la misura; • coefficienti di Trasmissione delle due antenne; • disadattamenti per diversa polarizzazione tra le due antenne. Riscrivendo l'equazione considerando il Guadagno Assoluto otterremo: (
P r (θr , ϕr ) 4 π d
λ
Pt
che in forma logaritmica diviene: ) = G (θ , ϕ ) 2
A
r
G A (θr , ϕr ) = P r (θr , ϕr )− P t + 20log
dBm
dBm
r
(4λπ )+ 20log d Di seguito si riportano le misure: 41 42 Diagrammando il Guadagno Assoluto in forma polare i risultati della misure si ottengono i seguenti diagrammi di irradiazione: Azimuth, Pol. V Antenna Ricezione 43 Elevazione, Pol. V Antenna Ricezione
Azimuth, Pol. O Antenna Ricezione 44 Elevazione, Pol. O Antenna Ricezione Precisione della localizzazione con misura potenza ricevuta Volendo dunque ricavare la posizione del tag attraverso la misura di segnale ricevuto e volendo utilizzare i diagrammi di irradiazione misurati, bisogna tener conto del fatto che questi non sono perfettamente omnidirezionali. Ruotando intorno al tag il Guadagno Assoluto cambia entro l'intervallo riportato nelle figure seguenti: Azimuth, Pol. V Antenna Ricezione: Delta Gain = 4.28 sul minimo misurato 45 Elevazione, Pol. V Antenna Ricezione: Delta Gain = 8.81 sul minimo misurato Azimuth, Pol. O Antenna Ricezione: Delta Gain = 3.06 sul minimo misurato 46 Elevazione, Pol. O Antenna Ricezione: Delta Gain = 12.89 sul minimo misurato La variazione di guadagno riportata è assoluta (Valore Max -­‐ Valore Min). La formula matematica che si intende utilizzare è quella già riportata in precedenza e che per comodità di lettura si riporta qui ancora una volta: G A (θr , ϕr ) = P r (θr , ϕr )− P t + 20log
dBm
dBm
(4λπ )+ 20log d A parità di potenza ricevuta, la variazione del Guadagno comporta nel calcolo della distanza d una variazione della posizione del tag secondo la tabella sottostante. Azimuth POL V
Elevazione POL V
Azimuth POL O
Elevazione POL O
Delta Gain
[dB]
4.28
8.81
3.06
12.89
Errore d MAX
[m]
1.6
2.8
1.4
4.4
47 Infine, con lo scopo di valutare la presunta polarizzazione ellittica dell'antenna del tag RFID, si è proceduto ad una analoga rilevazione posizionano il tag come mostrato in figura e ruotandolo di 180 gradi (con passo di 15 gradi). In questo caso l'antenna di ricezione Yagi era posizionata in orizzontale e la posizione è stata mantenuta fissa. y
α
I valori misurati sono i seguenti: 48 Tipo di Polariz.
Αlfa [deg] Pr [dBm]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
MAX GAIN
MIN GAIN
-60.15
-58.97
-58.41
-61.22
-60.27
-60.30
-61.92
-62.26
-62.19
-62.61
-63.00
-62.96
-62.49
-55.51
-54.65
-53.89
-53.76
-53.49
-54.24
Ab. G
[dB]
-24.22
-23.04
-22.48
-25.29
-24.34
-24.37
-25.99
-26.33
-26.26
-26.68
-27.07
-27.03
-26.56
-19.58
-18.72
-17.96
-17.83
-17.56
-18.31
-22.48 @30 deg
-27.07 @150 deg
Polarizzazione Antenna tag, Pol. O Antenna Ricezione Caratterizzazione del sensore di temperatura in camera climatica Il tag è stato posto in camera climatica marca BINDER, modello MKF115, e la temperatura è stata fatta variare tra +17°C (con un'umidità relativa -­‐ RH -­‐ del 90%) e -­‐20°C (@76% RH). 49 Il sensore di temperatura impiegato è un modello PT1000. I dati raccolti sono presentati nella seguente tabella: BINDER MKF115
°C
17,0
10,0
5,0
0,0
-5,0
-10,0
-15,0
-19,9
RH
90%
87%
88%
83%
77%
76%
76%
Sensore PT1000
ADC
3770
3155
2705
2255
1794
1338
878
426
°C
17,48
10,74
5,83
0,92
-4,11
-9,07
-14,07
-18,97
[°C] Errore
Sistematico
0,48
0,74
0,83
0,92
0,89
0,93
0,93
0,93
La prima colonna riporta la temperatura misurata dal sensore della camera climatica e rappresenta il valore di riferimento per le misure di temperatura. La colonna ADC riporta il valore grezzo contenuto nel convertitore analogico-­‐digitale del PCB. Le ultime due colonne rappresentano la temperatura “calcolata” dal PCB e l'errore rispetto al valore misurato dalla camera climatica. Il termometro realizzato con il PCB è stato concepito per rilevare temperature comprese tra +20 e -­‐
20 °C. Il grafico sottostante, nel riportare i valori della tabella, evidenzia un comportamento sostanzialmente lineare del dispositivo, nell'intervallo di temperatura dato. La retta però dovrebbe passare per l'origine ed essere perfettamente a 45° per restituire gli stessi valori letti dal sensore della camera climatica. Questo non avviene al momento, perché il dispositivo deve essere tarato. La taratura può essere effettuata adottando le seguenti considerazioni. La lettura di temperatura del PCB non è diretta, ma calcolata, ovvero convertita a partire dal valore di resistenza elettrica assunta da sensore PT1000 secondo il modello di conversione adottato dallo standard internazionale IEC751 / ITS-­‐90. 50 L'errore di misura che deriva dalle approssimazioni del modello adottato e dalla tolleranza dei componenti impiegati è risultato essere lineare e pressoché costante nell'intervallo (0 , -­‐20) °C, come si può vedere nel grafico seguente: La costanza e la linearità dell'errore in questo intervallo consente, attraverso una compensazione sistematica del calcolo pari a +0,905 °C (la linea arancione nel grafico sopra), di ottenere una precisione di lettura al decimo di grado, che è la precisione di progetto che si desiderava ottenere. Nella figura sottostante è riportata la precisione della misura di temperatura effettuata dal PCB tra +17 e -­‐20 °C. Da rilevare come, nell'intervallo da +5 gradi a -­‐20 gradi centigradi, la precisione si attesti sotto il decimo di grado. Caratterizzazione del sensore di pressione La caratterizzazione del sensore di pressione è in corso d’opera e sarà descritta nel prossimo rapporto. Taratura dell’accelerometro e del magnetometro La taratura dei due sensori avverrà non appena saranno disponibili i nuovi PCB, realizzati a seguito di modifiche apportate per migliorarne la funzionalità. 51 Consumi Per misurare la quantità di corrente consumata dal dispositivo è stato utilizzato un voltmetro di precisione per misurare la caduta di tensione su una resistenza di valore molto basso (10 Ohm). La quantità di corrente consumata dal dispositivo dipende dalla funzione che svolge in un determinato periodo di tempo; a tal riguardo si possono distinguere 5 momenti diversi in cui il dispositivo si trova ad operare: -­‐ Sleep -­‐ quando il tag non misura o non trasmette entra in una fase di “sonno” per minimizzare il consumo della batteria; questa fase è la più consistente: sul 100% di delle attività previste per il TAG, questa fase occupa il 99,74% con un corrispondente consumo massimo di corrente pari 0,05 milli Ampère; -­‐ Wake-­‐Up -­‐ se interrogato dal reader, il tag si “sveglia” e attiva le sue funzioni programmate; questa fase dura lo 0,20% del totale delle attività e consuma 30 milli Ampère; -­‐ Log -­‐ il tag registra in un “diario” elettronico all'interno della sua memoria i valori rilevati; questa fase dura mediamente lo 0,02% del totale delle attività e consuma 10 milli Ampère; -­‐ Radio RX-­‐ il tag riceve dal reader istruzioni; questa fase dura mediamente lo 0,04% del totale delle attività e consuma 20 milli Ampère; -­‐ Radio TX; il tag comunica con il reader e trasferisce il log con le misure. La durata di questa fase dipende dalle dimensioni del log ovvero da quanto tempo trascorre tra due letture successive; poiché si ipotizza che un operatore richieda il log solo qualche volta in un anno, si è deciso di trascurare questa attività nel computo totale dei consumi. Con una batteria come quella utilizzata dal tag (Marca Varta da 8000 mAh, utilizzabile fino a circa l'80% della sua capacità), si è stimata, cautelativamente, una vita media presunta del tag di circa 6 anni. I valori misurati sono riportati nella tabella sottostante. Progettazione nuovo layout PCB Le analisi e i test effettuati fino ad ora hanno fatto emergere alcune imprecisioni della versione 1 del PCB. Queste imprecisioni sono state analizzate e corrette, realizzando una nuova versione del progetto con l’inserimento di alcune piccole modiche che possono essere riassunte come segue: • spostamento del connettore d'antenna di qualche centimetro per meglio rispettare le specifiche sulla distanza minima dal piano di massa, suggerite dal costruttore dell'antenna ad elica; • aggiunta di piazzole (pad elettrici SMD) per offrire la possibilità di adattare l'antenna all'impedenza d'ingresso misurata con l'analizzatore vettoriale di reti e consentire quindi l'utilizzo degli amplificatori di potenza (già montati sull'attuale PCB), aumentando così il raggio di copertura del segnale; • eliminazione del piano di massa al di sotto del magnetometro per consentire alle linee di flusso magnetico di fluire senza ostacoli; 52 • rotazione di 180° della morsettiera relativa al sensore di pressione al fine di evitare frizioni meccaniche tra il cavo e la parete intera della capsula; • aggiunta di uno switch elettrico per offrire la possibilità di escludere il sensore di pressione (utile per alcune misure di consumo elettrico della batteria). Il progetto della nuova versione del PCB è già stato consegnato ai rispettivi fornitori per la produzione dei prototipi, che dovrebbero essere pronti per la fine di febbraio 2014. Test di durata e di affidabilità delle misure Si descrive nel seguito il primo test di un tag RFID in nevoso terreno innevato avviato nel mese di dicembre 2013 ed attualmente in corso di svolgimento. Si tratta della prima vera prova del funzionamento del sistema, progettato e realizzato dall’UdR, che ha necessitato, come precedentemente illustrato, di preventivi e indispensabili test di caratterizzazione e di funzionamento delle diverse componenti; infatti una mancata conoscenza di questi non avrebbe permesso di comprendere in modo adeguato le misure osservate . Lo scopo principale di questa prima prova in campo aperto è stato determinare la capacità della batteria di alimentazione di fornire l’energia sufficiente per far svolgere alla PCB le operazioni assegnatele per più giorni in continuità, controllare che tali operazioni venissero svolte con regolarità, verificare che i dati provenienti dal sensore di temperatura fossero confrontabili con quelli misurati manualmente e infine analizzare l’attenuazione del segnale radio trasmesso dal reader al tag e dal tag al reader. Il 19 dicembre, presso il campo neve di Villa Cameron (1450 m slm, sede di Fondazione Montagna sicura), è stato installato il primo tag, completo di sensori di misura, allo scopo di verificarne il funzionamento sulla lunga durata e di stabilire l’affidabilità delle misure effettuate dagli strumenti alloggiati sulla PCB. Le misure vengono eseguite giornalmente e sono tuttora in corso; si prevede di continuare quest’attività fino al termine della vita operativa del tag al fine di costituire un database consistente di dati da analizzare e di testare il funzionamento in continuo dei dispositivi sul lungo periodo. 53 Il campo neve è una porzione di terreno delimitata e utilizzata per la raccolta giornaliera di dati nivologici da trasmettere agli uffici ai quali compete la redazione del Bollettino neve e valanghe, secondo modalità standard definite dall’AINEVA (Associazione Interregionale Neve e Valanghe). L’area è dotata di alcuni semplici strumenti di misura generalmente privi di sistemi di registrazione dei dati o a registrazione analogica su supporto cartaceo. I dati vengono raccolti manualmente dagli osservatori mediante strumenti portatili [20]. Tra i rilievi effettuati giornalmente è prevista la misurazione dell’altezza del manto nevoso, la temperatura della neve a 10 e 30 cm di profondità dalla superficie, la temperatura corrente dell’aria e la minima e la massima delle ultime 24 ore; qualora siano occorse nevicate si procede inoltre alla misura dell’altezza della neve fresca e della sua densità. La temperatura dell’aria viene rilevata con uno strumento analogico il cui sensore è posizionato al riparo dalle radiazioni solari (all’ombra). Lo strumento adoperato per effettuare le misure manuali di temperatura alle diverse profondità è un Testo 110 multifunzione di tipo NTC (Negative Temperature Coefficient), ossia provvisto di una resistenza che decresce con l'aumentare della temperatura, a cui è collegata una sonda a immersione/penetrazione a tenuta stagna modello 0613 1212 [21] di cui si riportano le principali specifiche tecniche. Strumento di misura testo 110: • Tipo di sonda: NTC • Campo di misura: -­‐50, +150°C • Precisione ± 1 digit: ±2°C (-­‐20°C, 80°C) • Risoluzione: 0,1°C • Peso: 171g • Dimensioni: 182 x 64 x 40mm Sonda a immersione/penetrazione 0613 1212: • Campo di misura: -­‐50, +150°C • Precisione: ±2°C (-­‐25°C, 74,9°C) • Lunghezza puntale: 115mm • Diametro puntale: 5mm 54 L’obiettivo dell’installazione di un tag in un campo di rilievo di dati nivologici risiede nel poter accostare le misure analogiche di spessore del manto, di densità e di temperatura della neve effettuate giornalmente con quelle digitali ottenute dai sensori. Per quanto riguarda le misure di densità, oltre a misurare il valore della neve fresca in occasione di ogni nevicata, si è stabilito di eseguire una o due volte la settimana misure riferite a tutto il manto nevoso a partire dal suolo. Le misure vengono eseguite utilizzando un cilindro di plexiglass con cui si campionano verticalmente campioni di neve dell’altezza del cilindro stesso (11,5 cm) lungo tutta la colonna di neve; ogni campione viene pesato con un apposito dinamometro, ottenendo così il valore totale della densità dell’intera colonna: tali dati saranno utilizzati nella futura analisi delle misure provenienti dal sensore di pressione montato a bordo del tag. Il tag utilizzato per il test porta l’identificativo RFID 22 ed è equipaggiato con un sensore di temperatura, uno di pressione, un accelerometro triassiale ed un magnetometro. Il tag è stato montato, insieme alla batteria di alimentazione ed all’antenna ancorata alla PCB, all’interno di una capsula opportunamente sigillata in corrispondenza del tappo di apertura. La capsula è stata ancorata, tramite nastro adesivo, all’asta fissa di misurazione del manto nevoso, infissa nel terreno in modo che la capsula lo sfiori con la sua estremità inferiore. Si è fatto in modo che il lato della PCB front fosse orientato in direzione degli uffici di Villa Cameron da dove vengono effettuate le prove di connessione. Il tag è stato programmato per compiere un’acquisizione ogni ora e rimanere in stand-­‐by il resto del tempo. Soltanto il microcontrollore, al costo di un consumo energetico minimo, resta in modalità attiva, in attesa dell’interrogazione via RFID da parte del reader. Il reader a sua volta è costituito da una scheda PCB del tutto simile a quella utilizzata per il tag, con l’unica differenza che è priva di sensori e che il firmware è stato adattato per la trasmissione del segnale. Fisicamente è stato collocato all’interno di una scatola in plastica di colore arancione per proteggerlo da urti e scossoni; due cavi con prese USB, una dedicata all’alimentazione ed una al driver, permettono il collegamento con il terminale. La comunicazione RFID tra tag e reader avviene utilizzando la medesima console di comando usata nel caso delle prove di campo libero, con un computer portatile collegato tramite connessione USB al reader, che ogni volta viene posizionato a contatto della parte interna della porta-­‐vetro dell’ufficio al secondo piano di Villa Cameron: l’obiettivo è quello di ricreare ad ogni connessione le medesime condizioni di rilevamento. 55 La procedura seguita per la connessione del reader con il tag ha previsto che, attraverso la console di comando, si interroghi il tag con l’invio di un segnale radio. Una volta stabilito il collegamento, si esegue un test di ping continuo che ogni 5 secondi restituisce una stringa di codice contenente i valori di attenuazione RSSI nelle due direzioni R2T e T2R. Il segnale RF parte dal reader con una potenza assegnata e giunge al tag, che lo riceve, attenuato di una certa quantità (R2T); a sua volta il tag risponde al reader con un analogo segnale RF (T2R). Il passo successivo prevede il download completo dei dati memorizzati dalla flash memory del PCB, che si traduce nella creazione di un file di formato csv, gestibile da qualsiasi software di elaborazione di dati. Al fine di verificare la capacità di stoccaggio dati della flash memory si è deciso di non azzerare mai il suo contenuto; di conseguenza ad ogni salvataggio il tempo richiesto per scaricare completamente la flash aumenta progressivamente, dando così la possibilità di verificare che la durata della comunicazione tra reader e tag si mantenga stabile ed efficiente. Una volta terminata la procedura stabilita, si invia un comando al tag per fargli acquisire il valore istantaneo della temperatura attraverso il sensore PT1000. Il riscaldamento del circuito dovuto all’attivazione del sensore PT1000 non è sufficiente a determinare un incremento della temperatura tale da essere registrato e da falsare una corretta misura. Si segnala come un risultato del tutto positivo che da quando è cominciata la sperimentazione il sistema ha funzionato con continuità, registrando un dato all’ora senza discontinuità nelle misure o anomalie nei valori rilevati. Le misure di temperatura della PT1000 sono state messe in relazione con quelle effettuate manualmente con la sonda per effettuare i rilievi giornalieri; in particolare si è sempre operato in modo che non solo venissero prese le temperature alle profondità di 10 e 30 cm (come richiesto dal modello 1 AINEVA), ma anche alla base del manto, dove si trova di fatto il tag con il sensore di temperatura. Successivamente alle prime misure manuali effettuate con un solo strumento Testo 110, si è deciso di effettuare le misure con due strumenti analoghi, dotati di stessa sonda ad immersione/penetrazione, per avere un doppio riscontro ed ottenere un valore di temperatura più affidabile. 56 Analisi dei valori di temperatura misurati I valori registrati dal tag in due mesi di funzionamento oscillano tra un minimo di -­‐1,77°C e -­‐0,25°C, con un valore medio che si assesta intorno a -­‐0,75°C. I valori massimi si sono registrati quando il manto nevoso era ancora in corso di formazione, ossia quando la temperatura della neve alla profondità di installazione del tag era maggiormente influenzata da quella dell’aria. Mano a mano che il manto nevoso che ricopre il tag ha subito un incremento di spessore, si è osservato un innalzamento delle temperature, fino ad assestarsi intorno a 0,5°C, a dimostrazione del potere isolante della neve. Volendo confrontare ciò che si ottiene dal sensore PT1000 con i valori ricavati manualmente mediante sonde a penetrazione, si riscontra uno scostamento di una quantità media pari a circa 0,5°C. Si precisa inoltre che non si registrano mai divergenze, tra le misure della coppia termometri delle sonde a penetrazione, superiori a 0,1°C, a dimostrazione del fatto che i valori in tal modo acquisiti si possono considerare precisi ed affidabili. Tuttavia si evidenzia che le condizioni di misura sono differenti: nel tag viene misurata la temperatura dell’aria contenuta all’interno della capsula, mentre nel caso della sonda a immersione, la temperatura è misurata a diretto contatto con la neve. Si può supporre che l’ambiente relativamente più freddo registrato all’interno della capsula sia legato al fatto che l’aria ivi intrappolata possegga un valore di umidità piuttosto basso, tale da determinare una leggera diminuzione della temperatura rispetto a quella rilevata in neve. Come si può osservare nel grafico riepilogativo sotto riportato, si assiste ad un primo periodo compreso tra l’installazione e la prima settimana di gennaio in cui le temperature misurate dalla PT1000 mostrano un trend molto somigliante con quello delle temperature dell’aria, confermando quanto riscontrato in [22] dove si è identificato uno spessore di 60 cm all’interno del quale la temperatura è fortemente influenzata dalla radiazione solare e subisce le più rilevanti variazioni nel corso della giornata
[22]. Dal momento in cui lo spessore di neve soprastante il tag aumenta fino a raggiungere i valori attuali, superiori ai 100 cm, si osserva invece un’indipendenza delle temperature del tag da quelle registrate nella nell’aria e soprattutto ad una loro stabilizzazione ad un valore molto prossimo agli 0 °C. 57 0"
80"
60"
40"
20"
15/02/14"
15/02/14%
10/02/14%
Poli.%(T%base%manto%nevoso)%
10/02/14"
05/02/14%
100"
05/02/14"
120"
31/01/14%
140"
31/01/14"
160"
26/01/14%
Altezza"manto"nevoso"[cm]"
26/01/14"
180"
21/01/14%
21/01/14"
16/01/14%
11/01/14%
Temp%[°C]%
16/01/14"
11/01/14"
06/01/14%
01/01/14%
27/12/13%
22/12/13%
17/12/13%
T%base%manto%nevoso%
06/01/14"
01/01/14"
27/12/13"
22/12/13"
!3,0%
12/12/13%
15/02/14#
10/02/14#
05/02/14#
31/01/14#
26/01/14#
21/01/14#
16/01/14#
11/01/14#
06/01/14#
01/01/14#
27/12/13#
22/12/13#
17/12/13#
12/12/13#
!2#
17/12/13"
12/12/13"
0#
Temperatura#tag#[°C]#
!0,2#
!0,4#
!0,6#
!0,8#
!1#
!1,2#
!1,4#
!1,6#
!1,8#
Temperatura%tag%VS%Temperatura%base%manto%nevoso%[°C]%
5,0%
Poli.%(Temp%[°C])%
4,0%
3,0%
2,0%
1,0%
0,0%
!1,0%
!2,0%
58 Di seguito si riporta il grafico riepilogativo dei dati raccolti finora, in cui sull’asse primario sono riportate le temperature misurate dal sensore di pressione digitale PT1000, quelle registrate nell’aria e quelle misurate alla base del manto nevoso con l’utilizzo della sonda a immersione, mentre sull’asse secondario sono riportati i valori di altezza del manto nevoso espressi in cm. Temperatura"tag"VS"Temperatura"analogica"base"del"manto"
6,00"
4,00"
Tag"RFID"
Temperatura"dell'aria"
Temperatura"base"suolo"
Altezza"manto"nevoso"
180"
160"
Temperatura"tag"[°C]"
120"
0,00"
100"
(2,00"
80"
(4,00"
60"
(6,00"
Altezza"manto"nevoso"cm"
140"
2,00"
40"
20/02/14"
10/02/14"
31/01/14"
21/01/14"
11/01/14"
0"
01/01/14"
(10,00"
22/12/13"
20"
12/12/13"
(8,00"
Tra le prove effettuate nel corso dello scaricamento dei dati c’è stata anche l’acquisizione in real time delle temperature (comando Get temperature sulla console): eseguendo il comando a più riprese nel corso della stessa comunicazione si osserva un lentissimo, ma costante, aumento delle temperature registrate, motivato dal fatto che il tag manifesta un lieve riscaldamento che va ad influire in maniera minima sulle misure del sensore PT1000 (inferiore ai due decimi di grado). Analisi dell’attenuazione del segnale La misura dello RSSI è effettuata giornalmente ogni qualvolta si stabilisce una connessione RFID e successivamente alla lettura dei dati dei sensori, si lancia un comando di PING continuo che restituisce i valori di attenuazione del segnale in direzione R2T e T2R. Il fine di tale operazione è verificare che la connessione venga stabilita e che le operazioni di lettura della flash memory e conseguente scarico dei dati vadano a buon fine. Va osservato che le connessioni sono stabilite non a distanza ravvicinata, ma da una distanza di almeno 50m tra tag e reader. Inoltre è importante considerare che i materiali frapposti al segnale RF scambiato dalle due antenne sono la neve del manto nevoso, il volume d’aria e il vetro della porta-­‐vetro dietro la quale si eseguono le misure (misure eseguite all’interno dell’ufficio); scendendo ancor più nel dettaglio bisognerebbe anche considerare, partendo dal reader, l’aria contenuta dentro lo scatolotto arancione, lo scatolotto arancione stesso, il doppio vetro della finestra e l’aria contenuta al suo interno, il volume d’aria tra l’edificio e il campo neve, lo strato di neve, la plastica della capsula, l’aria ivi contenuta. Tenuto conto di questi impedimenti è rimarchevole che la comunicazione RF avvenga sempre con efficienza, senza che si interrompa durante le operazioni di download dei dati. 59 Da analisi effettuate è emerso che in media l’attenuazione del segnale e dunque il valore di RSSI in entrambe le direzioni oscilla intorno a -­‐88dB. Data
15#gen
15#gen
16#gen
16#gen
21#gen
21#gen
24#gen
24#gen
28#gen
28#gen
29#gen
29#gen
03#feb
03#feb
10#feb
10#feb
Direzione
R2T
T2R
R2T
T2R
R2T
T2R
R2T
T2R
R2T
T2R
R2T
T2R
R2T
T2R
R2T
T2R
ping,1
ping,2
#95,5
#93,5
#93,5
#93
#93
#92
#85
#84,5
#89,5
#88
#88,5
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#81
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ping,3
#95
#95
#91,5
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#89
#85,5
#84
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#87,5
#88
#87,5
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#92,5
#92,5
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#92,5
#92,5
#91,5
#91,5
#88
#87,5
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#83,5
#88,5
#88
#89
#87,5
#82,5
#80,5
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#92
ping,5
#91,5
#91
#92
#89,5
#89,5
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#85
#83,5
#88,5
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#91,5
#91
#83
#81
#96
#93
ping,6
#95
#95
#92,5
#92,5
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#88,5
#85
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#88,5
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#90,5
#83
#81
#96,5
#93
ping,7
#95,5
#95,5
#92
#93,5
#92
#90,5
#85
#83,5
#87,5
#86,5
#89
#88
#83
#80,5
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ping,8
#95,5
#95,5
#91
#89
#96
#95,5
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#85
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#87,5
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#96
#94
#84
#81
#96,5
#93,5 Andamento$RSSI$-$ping$1$
!70$
!75$
!85$
R2T$
T2R$
!90$
03!feb$
02!feb$
01!feb$
31!gen$
30!gen$
29!gen$
28!gen$
27!gen$
26!gen$
25!gen$
24!gen$
23!gen$
22!gen$
21!gen$
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19!gen$
18!gen$
17!gen$
!100$
16!gen$
!95$
15!gen$
RSSI$
!80$
60 Progettazione, sviluppo e test di schede PCB da 169 MHz Avvalendosi del contributo scientifico offerto dalla tesi di un giovane ricercatore è stato deciso di avviare la progettazione, lo sviluppo e il test di una tipologia di PCB funzionante a 169 MHz, per indagare il comportamento di frequenze ancora più basse da utilizzare in ghiaccio e in neve ed eventualmente prevederne l’applicazione anche in altri ambiti dei rischi naturali. Le schede sono state mandate in produzione e nel semestre successivo saranno testate nelle loro funzionalità, di cui si riporterà un resoconto dettagliato nella prossima relazione tecnica. 61 Sintesi delle attività e dei risultati con riferimento allo Studio di fattibilità Sintesi delle attività realizzate con riferimento ai WP WP 1: Analisi bibliografica; raccolta dati relativi alle proprietà fisiche del ghiaccio; acquisizione di maggiori competenze sui componenti elettronici. È stato compiuto un lavoro di documentazione bibliografica per studiare le proprietà elettriche della neve e del ghiaccio quando attraversati da onde radio, per meglio comprendere le modalità di comunicazione tra tag e reader e individuare un possibile algoritmo che permetta la corretta localizzazione del tag sepolto nel ghiacciaio. WP 2: Scelta dei siti di monitoraggio; raccolta dati in campo. È stata effettuata un’analisi dei dati glaciologici e delle modalità di misura manuali per la scelta dei siti per i test (Punta Helbronner, campo neve Villa Cameron) e per l’individuazione di possibili ghiacciai dove eseguire sperimentazione in campo. WP 3: Definizione delle specifiche del sistema sulla base del WP1 e del WP2: scelta delle frequenze da utilizzare e delle grandezze fisiche da misurare. L’attività, che era stata conclusa nel corso del primo anno di attività (primo deliverable, luglio 2013), subirà una modifica in quanto, con la riprogettazione del layout della PCB, alcune caratteristiche tecniche subiranno una variazione che sarà riportata in un nuovo e definitivo documento contenente le specifiche del sistema. WP 4: Sviluppo dei sensori. Lo sviluppo dei sensori è proseguito con la caratterizzazione del sensore di temperatura in camera climatica, dell’antenna (sia in laboratorio, sia in campo mediante prove di irradiazione), dell’accelerometro e del magnetometro. Sono stati finalizzate le scrittura di firmware e software per i primi test in campo. Ha preso avvio la progettazione e sviluppo di una scheda RFID funzionante a 169 MHz. WP 5: Campagna di test in ambiente glaciale dei sensori e, all’occorrenza, sviluppo ulteriore dei medesimi. Sono stati effettuati diversi test volti alla comprensione e definizione del sistema progettato: essi hanno riguardato prove di caratterizzazione meccanica della capsula, di caratterizzazione del modulo radio, dell’antenna, attraverso i diagrammi di irradiazione e dei sensori di misura alloggiati sulla PCB. I risultati di tali test sono serviti a ottimizzare il layout stesso della PCB, che è stato all’occasione riprogettato e mandato in produzione con le ultime modifiche (ordinate n°10 nuove schede), che consentiranno un minor consumo di energia in fase di funzionamento e una più ottimale comunicazione radio tra tag e reader. Il 18 ottobre è stato eseguito il test a punta Helbronner in cui si è verificato il buon funzionamento della comunicazione tra tag e reader. Il 19 dicembre 2013 il primo tag, dotato di sensori di misura, è stato installato presso il campo neve di Villa Cameron con l’obiettivo di verificarne il funzionamento nel tempo, con riferimento alla durata della batteria, e stabilire l’affidabilità delle misure di temperatura effettuate dal sensore PT1000. WP 6: Analisi dei dati raccolti. Una prima fase di elaborazione dei dati ha riguardato l’analisi delle misure ottenute dal sensore di temperatura PT1000 alloggiato sul tag installato presso il campo neve di Villa Cameron. Inoltre sono stai esaminati i dati relativi all’attenuazione del segnale –RSSI-­‐ che viaggia nelle duplici direzioni R2T e T2R. WP 7: Disseminazione dei risultati. Il 29 novembre 2013 si è tenuta a Courmayeur la riunione annuale della Cabina di Regia dei Ghiacciai Valdostani (CRGV), durante il quale è stata presentata l’attività dell’UdR agli altri partner (enti che operano sui ghiacciai valdostani). 62 È stato realizzato un poster, avente titolo “RFID technology experimental employ on glacier monitoring”, da presentare al 18° Alpine Glaciology Meeting che si terrà ad Innsbruck dal 27 al 28 febbraio 2014 ed è stato redatto un abstract, con titolo “RFID technology applied to glacial environment: MALATRA electronic system design and experimental data”, per partecipare all’International Symposium on Contribution of Glaciers and Ice Sheets to Sea Level Change che si terrà a Chamonix dal 26 al 30 maggio 2014. Le pagine internet di Fondazione ed EnviSens sono state aggiornate con gli ultimi risultati conseguiti in seno al progetto GLACIES. WP 8: Automonitoraggio. È stata redatta e consegnata alla struttura preposta della Regione autonoma Valle d’Aosta la relazione tecnica annuale (corrispondente al secondo report semestrale), prevista dal bando della convenzione, in cui si sono riportate nel dettaglio tutte le attività svolte nel primo anno dall’avvio del progetto (21 agosto 2012) ed i risultati conseguiti. La relazione è stata esaminata e validata dai componenti dell’UdR in occasione della seconda riunione plenaria tra tutti i partner, tenutasi il 25 settembre a Villa Cameron. Attività previste nel prossimo semestre Di seguito vengono sinteticamente riportate le attività previste nel periodo febbraio – luglio 2014 (corrispondente al termine del progetto): • caratterizzazione sensore di pressione; • caratterizzazione delle nuove PCB; • termine del test al campo neve ed elaborazione completa dei dati acquisiti; • progettazione delle campagne di misura e installazione dei tag su ghiacciaio; • analisi dei dati provenienti dalle prime installazioni a regime; • redazione della relazione tecnica finale • quarta ed ultima riunione plenaria dell’UdR • studio e primi test di funzionalità delle schede a 169 MHz Scostamenti rispetto allo studio di fattibilità Il ritardo inizialmente accumulato a causa dei problemi nell’individuazione delle risorse da dedicare al progetto, è stato quasi colmato grazie al coinvolgimento di nuovo personale, da parte di Envisens, nelle persone degli ingegneri Giampaolo Greco, Oscar Rorato ed Eliana Vittaz e del Dottorando Silvano Bertoldo, e del tecnologo di ricerca Ing. Salvatore Barone, che ha avuto accesso alla borsa di ricerca FSE. Non si è potuto rispettare le tempistiche di installazione per la perdita di una stagionalità, ma i risultati conseguiti sono in linea con gli obiettivi fissati nello studio di fattibilità. Il planning delle attività aggiornato è riportato di seguito: 2012
WP
Descrizione
0
Coordinamento+scientifico
1
2
Analisi+bibliografica;+raccolta+dati+
relativi+alle+proprietà+fisiche+del+
ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+
competenze+sui+componenti+
elettronici
Scelta+dei+siti+di+monitoraggio
3
4
Definizione+delle+specifiche+del+
sistema:+frequenze+sensori+e+
parametri+da+misurare
Sviluppo+dei+sensori
5
6
7
8
Campagna+di+test+in+ambiente+
glaciale+e+riprogettazione
Analisi+dei+dati+raccolti
Disseminazione+dei+risultati
Automonitoraggio
9
10
11
12
63 2013
WP
Descrizione
0
Coordinamento+scientifico
1
2
Analisi+bibliografica;+raccolta+dati+
relativi+alle+proprietà+fisiche+del+
ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+
competenze+sui+componenti+
elettronici
Scelta+dei+siti+di+monitoraggio
3
4
Definizione+delle+specifiche+del+
sistema:+frequenze+sensori+e+
parametri+da+misurare
Sviluppo+dei+sensori
5
6
7
8
Campagna+di+test+in+ambiente+
glaciale+e+riprogettazione
Analisi+dei+dati+raccolti
Disseminazione+dei+risultati
Automonitoraggio
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Descrizione
0
Coordinamento+scientifico
1
2
Analisi+bibliografica;+raccolta+dati+
relativi+alle+proprietà+fisiche+del+
ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+
competenze+sui+componenti+
elettronici
Scelta+dei+siti+di+monitoraggio
3
4
Definizione+delle+specifiche+del+
sistema:+frequenze+sensori+e+
parametri+da+misurare
Sviluppo+dei+sensori
5
6
7
8
Campagna+di+test+in+ambiente+
glaciale+e+riprogettazione
Analisi+dei+dati+raccolti
Disseminazione+dei+risultati
Automonitoraggio
1
2
3
4
12
2014
WP
11
5
6
7
8
Risultati conseguiti Si riportano sinteticamente i risultati conseguiti negli ultimi sei mesi di attività: • caratterizzazione PT1000 (sensore di temperatura); • tuning driver; • sviluppo business logic; • progettazione ed esecuzione dei test in campo; • test radio in campo a varie profondità̀; • test in campo di comunicazione, di durata, di efficienza e di registrazione dati del tag; • analisi dei dati dei test; • definizione dei siti di misura in ambiente glaciale per la primavera-­‐estate 2014; • correzione dei PCB e conseguente produzione di nuove schede; 64 Bibliografia [1] P. A. Shumskiy, "Density of glacier ice," Journal of Glaciology, vol. 13, no. 27, pp. 568-573,
1960,. J. of 13, 1960, 27:.
[2] Paolo Arcioni, "I principi del riscaldamento dielettrico," in La tecnologia a microonde e
l'innovazione industriale. Giornata di studio presso l'Università di Modena, 15 marzo 2002,
2002.
[3] SAGOM SRL. (N.D., N.D.) Caratteristiche tecniche del NYLON PA.6 (Standard DIN 53483).
[Online]. http://www.sargom.it/catalogo/doc/Nylon%20PA6.pdf
[4] S.Bri N. Jebbor, "Finite-Element Modeling Method for the Prediction of the Effective
Permittivity of Random Composite Materials," International journal of advanced scientific and
technical research, vol. 6, no. 2, pp. 309-317, December 2012,
http://www.rspublication.com/ijst/index.html.
[5] Texas Instruments. (2010, June) Design Note DN505 -- RSSI interpretation and timing.
[Online]. http://www.ti.com/lit/swra114
[6] CTIA - The Wireless Association®, "Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance Method of Measurement for Radiated RF Power and Receiver Performance," CTIA
Certification - The Wireless Association, Washington , Technical Standard Rev3.1, 2011.
[7] Fondazione Montagna Sicura, Stratigrafia neve a Punta Helbronner, Oct. 18, 2013, Coordinate
UTM ED50: 339582 5079435.
[8] Alberto Godio, "Georadar Measurements for the Snow Cover Density," American Journal of
Applied Sciences, vol. 6, no. 3, pp. 414-423, Mar. 2009.
[9] K. Matsuoka, J.A. MacGregor, and F. Pattyn, "Using englacial radar attenuation to better
diagnose the subglacial environment: A review," in 13th International conference on Ground
Penetration Radar (GPR), Lecce, 2010, pp. 1-5.
[10] S. Evans, "Dielectric properties of ice and snow-A review," Journal of Glaciology, vol. 5, no.
42, pp. 773-792, 1965.
[11] I. Fofana and H. Hemmatjou M. Farzaneh, "Electrical Properties of Snow," IEEE/CEIDP 2004
Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Boulder,
Technical Report 2004.
[12] Texas Instruments. (2009, June) Application Note AN068 - Adapting TI LPRF Reference
Designs for Layer Stacking. [Online]. http://www.ti.com/lit/an/swra236a/swra236a.pdf
[13] R. Steven Best, "Small Antennas," in Antenna Engineering Handbook, Fourth Edition.:
McGraw-Hill , 2007, pp. 6.1 - 6.33.
[14] Constantine A. Balanis, Antenna Theory, Analysis and Design, Third Edition ed. New Jersey,
USA: Wiley, 2005.
[15] IEEE Antenna and Propagation Society, "IEEE Standard Definition of Terms for Antennas,"
Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, Standard Definition IEEE Std
145-1993 (R2004), 2004.
[16] Texas Instruments. (2010, Aug.) Design Note DN031 - CC-Antenna-DK and Antenna
Measurements Summary. [Online]. http://www.ti.com/litv/pdf/swra328
[17] Texas Instruments. (2010, July) Antenna Kit - DN612, board 16 at 315 MHZ. [Online].
http://www.ti.com/lit/swra341
[18] IEEE Antenna and Propagation Society, "IEEE Standard Test Procedures for Antennas ,"
Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, Standard Definition IEEE Std
149-1979 (R2008), 2008.
[19] GNU Project. (2013, Dec.) GNU Octave. [Online]. https://www.gnu.org/software/octave/
65 [20] Associazione Interregionale Neve e Valange. (2014, Feb.) AINEVA. [Online].
http://www.aineva.it
[21] Testo SpA. (2013, -) Termometro NTC a 1 canale. [Online].
http://www.testo.it/it/home/products/productdetails.jsp?productNo=0560+1108#skip_4000
[22] M. Maggioni, G. Filippa, E. Zanini, M. Freppaz, "Analysis of continuous snow temperature
profiles from automatic weather stations in Aosta Valley (NW Italy)", Proceedings, 2012
International Snow Science Workshop, Anchorage, Alaska.
66 
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