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 RELAZIONE TECNICA FINALE 1 Sommario Elenco degli acronimi ............................................................................................................................... 4 Introduzione ............................................................................................................................................... 5 A) Contesto ................................................................................................................................................... 5 B) Il sistema MALATRA ............................................................................................................................ 8 B1 Grandezze fisiche misurate ........................................................................................................................ 8 B2 Scenari di installazione ................................................................................................................................ 9 B3 Definizione delle specifiche del sistema ............................................................................................. 10 B3.1 Determinazione delle frequenze di utilizzo per i ghiacciai ................................................................... 10 B3.2 Scelta delle antenne ............................................................................................................................................... 13 B3.3 Capsula contenitrice .............................................................................................................................................. 14 B3.4 Specifiche del sistema ............................................................................................................................................ 18 B4 Sviluppo del sistema .................................................................................................................................. 21 B4.1 Progettazione e ingegnerizzazione del PCB ................................................................................................. 21 B4.1.1 Schema elettrico ................................................................................................................................................................. 21 B4.1.2 Disegno CAD della scheda (layout) ............................................................................................................................. 22 B4.1.3 Generazione dei file gerber ............................................................................................................................................ 23 B4.2 Sviluppo del software ............................................................................................................................................ 24 B4.2.1 Architettura software: ...................................................................................................................................................... 25 Tag: ......................................................................................................................................................................................................... 25 Console: ................................................................................................................................................................................................ 25 Reader: .................................................................................................................................................................................................. 26 B4.2.2 Modello software delle schede ..................................................................................................................................... 26 B4.2.2.1 Drivers ........................................................................................................................................................................... 26 P ERIFERICHE S OC: ........................................................................................................................................................................ 26 PERIFERICHE E SENSORI INTEGRATI SU PCB: ............................................................................................................................. 27 BUS DI COMUNICAZIONE USATI: .................................................................................................................................................... 27 B4.2.2.2 Business Logic ............................................................................................................................................................ 27 B4.2.2 Tag ............................................................................................................................................................................................ 27 B4.2.2.1 Consumi ........................................................................................................................................................................ 27 B4.2.2.2 Dati memorizzati ....................................................................................................................................................... 27 B4.2.2 Reader ..................................................................................................................................................................................... 28 B4.2.3 Console .................................................................................................................................................................................... 28 B4.3 Progettazione nuovo layout PCB – versione 2 ............................................................................................ 30 B4.4 Riassunto delle schede prodotte ....................................................................................................................... 31 B4.5 Strategie e metodologie di localizzazione del tag RFID ........................................................................... 32 B4.5.1 Descrizione del canale di comunicazione ................................................................................................................ 33 B4.5.2 Strategie per il posizionamento del tag .................................................................................................................... 38 B4.5.2.a Localizzazione attraverso la misura della differenza di fase ................................................................. 39 Verifica sperimentale di fattibilità ...................................................................................................................................... 40 Progettazione, ingegnerizzazione e Realizzazione dei Prototipi ........................................................................... 47 Conclusioni .................................................................................................................................................................................... 49 B4.4.4 Localizzazione attraverso il GPS analisi statistica della potenza ricevuta (RSSI) .................................. 49 L’analisi statistica della potenza ricevuta (RSSI) .......................................................................................................... 49 La correzione differenziale in tempo reale (Correzione RTK) della posizione GPS ...................................... 50 B5 Caratterizzazione del sistema ................................................................................................................. 53 B5.1 Test preliminari ........................................................................................................................................................ 54 B5.2 Caratterizzazione della capsula contenitrice ............................................................................................... 54 B5.3 Caratterizzazione dei sensori ............................................................................................................................. 60 B5.4 Caratterizzazione del sistema d’antenna ....................................................................................................... 69 2 B5.5 Test di funzionamento in campo libero e in ambiente glaciale ........................................................... 92 B5.6 Misurazione dei consumi energetici e durata della batteria .............................................................. 107 B5.7 Il sistema Malatrà e possibili sviluppi futuri ............................................................................................. 108 Architettura hardware .................................................................................................................................................. 108 Sviluppo firmware ............................................................................................................................................................. 109 Test di trasmissione .......................................................................................................................................................... 110 B6 Installazioni di monitoraggio in ambiente glaciale e su terreno innevato ........................... 111 B6.1 Installazione in campo neve presso Villa Cameron ............................................................................... 112 Obiettivi .............................................................................................................................................................................................. 112 Modalità di installazione ............................................................................................................................................................. 113 Attività eseguite .............................................................................................................................................................................. 115 Analisi dei dati e risultati ottenuti .......................................................................................................................................... 117 B6.2 Ghiacciaio di Indren (Gressoney La Trinité) ............................................................................................. 120 Obiettivi .............................................................................................................................................................................................. 121 Modalità di installazione ............................................................................................................................................................. 122 Attività eseguite .............................................................................................................................................................................. 123 Analisi dei dati e risultati ottenuti .......................................................................................................................................... 126 B6.3 Ghiacciaio Toula (Courmayeur) ..................................................................................................................... 128 Obiettivi .............................................................................................................................................................................................. 130 Modalità di installazione ............................................................................................................................................................. 130 Attività eseguite .............................................................................................................................................................................. 132 Analisi dei dati e risultati ottenuti .......................................................................................................................................... 133 B7 Disseminazione dei risultati ................................................................................................................. 134 C) Sintesi delle attività e dei risultati con riferimento allo Studio di fattibilità .............. 136 C.1 Sintesi delle attività realizzate con riferimento ai WP ................................................................ 136 C.2 Scostamenti rispetto allo studio di fattibilità ................................................................................. 139 C.3 Risultati conseguiti .................................................................................................................................. 139 C.4 Valore aggiunto del progetto e impatti sul sistema regionale della ricerca ........................ 142 C.5 Conclusioni e prospettive di sviluppo .................................................................................... 144 Bibliografia ............................................................................................................................................. 147 Indice delle figure e delle tabelle .................................................................................................... 151 3 Elenco degli acronimi •
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BdM: Bilancio di Massa CSV: Comma Separated Values DGR: Delibera di Giunta Regionale (della Regione Autonoma Valle d’Aosta) EST: EnviSens Technologies srl FMS: Fondazione Montagna sicura GLACIES: GLaciers And Cryosphere International Expert Study group GNSS: Global Navigation Satellite System GPR: Ground Penetrating Radar GPRS: General Packet Radio Service I2C: Inter-­‐Integrated Circuit KLM: Keyhole Markup Language (Google Earth) LOS: Line of Sight (linea di vista ottica) MALATRA: Monitoraggio dell'Ambiente gLAciale mediante Tecnologia Rfid NTC: Negative Temperature Coefficient PCB: Printed Circuit Board PLA: Acido Polilattico (termoplastica biodegradabile) RCS: Radar Cross Section R2T: reader To Tag RF: Radiofrequenza RFID: Radio Frequency IDentification RSSI: Received Signal Strength Indicator RTK: Real Time Kinematic ROS: Rapporto di onda stazionaria 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 VSWR: Voltage Stationary Wave Ratio WSN: Wireless Sensor Network 4 Introduzione La presente relazione rappresenta la relazione tecnica finale, prevista dall’art.23 del 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). Dopo una parte iniziale in cui sono espresse le necessità da cui nasce il progetto MALATRA (primo progetto operativo in cui l’Unità di ricerca GLACIES è impegnata per i primi due anni), con un focus sulle attività di rilievo glaciologico attualmente condotte e per le quali il primo sistema è stato concepito (sezione A), sono dettagliati la progettazione e lo sviluppo del sistema RFID, a partire dall’analisi dello stato dell’arte esistente in materia -­‐ in particolare il progetto GlacsWeb –, ed i risultati ottenuti durante l’intero svolgimento del progetto (sezione B). Seguono una sintesi delle attività e dei risultati realizzati, in riferimento a quanto previsto nello studio di fattibilità (sezione C). A) Contesto Il progetto operativo MALATRÀ -­‐ Monitoraggio dell'Ambiente gLAciale mediante Tecnologia Rfid -­‐ si inserisce nel quadro più ampio del programma dell’Unità di Ricerca (UdR) GLACIES -­‐ GLaciers And Cryosphere International Expert Study group, che mira a creare i presupposti per progettare e sviluppare strumenti innovativi per supportare il monitoraggio dell’ambiente di alta montagna. Lo sviluppo del progetto operativo, avviato in data 22 agosto 2012, corrisponde con i primi due anni di attività dell’UdR, finanziato dal “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). Nello spirito di disporre di tecniche innovative che rispondano in modo sempre più performante alle esigenze degli studi di carattere ambientale, si osserva nella tecnologia RFID (Radio Frequency IDentification) un ottimo potenziale per la misurazione distribuita di determinate grandezze fisiche, al fine di ricavare modelli sempre più accurati che descrivano l’evoluzione degli ambienti glaciali e di alta montagna. Nonostante l’importanza di poter disporre di dati di questo tipo, attualmente non si è a conoscenza dell’esistenza sul mercato di strumentazione in grado di misurare con continuità e con sufficiente distribuzione spaziale determinate grandezze fisiche, anche all’interno del manto nevoso e del ghiaccio. Tra i vari ambiti di intervento, legati in particolare alle esigenze di studio e monitoraggio degli ambiti di alta quota e dei rischi connessi alla criosfera, sono stati individuati in fase di studio di fattibilità, il monitoraggio dei ghiacciai, il monitoraggio dei laghi glaciali ed il monitoraggio del rigelo all’interfaccia neve-­‐
suolo. In questa prima fase di lavoro, corrispondente al progetto MALATRA, l’UdR si è concentrata sul monitoraggio di ghiacciai. Il crescente numero di pubblicazioni scientifiche riguardanti il monitoraggio degli ambienti glaciali dimostra l’interesse che, anche nel mondo accademico, sta assumendo lo studio degli eventi legati a questa tipologia di ambiente: da un lato perché i ghiacciai sono riconosciuti quale uno dei più importanti indicatori climatici, che danno chiara evidenza dei cambiamenti in atto, dall'altro perché, per lo stesso motivo, è da attendersi un aumento dei rischi naturali che si originano nelle aree glaciali e periglaciali e che possono avere ripercussioni non solo su questi ambienti, sempre più frequentati, ma anche sui fondovalle abitati. Il progetto operativo MALATRÀ è incentrato sullo sviluppo di un sistema costituito da tag, dispositivi elettronici di piccole dimensioni, associati a sensori per la misura di diverse grandezze fisiche, e da un reader per la ricerca e lettura dei tag. La grande opportunità offerta da tale soluzione risiede nell’adottare un sistema costituito da diversi tag a basso costo (per cui ne è accettabile la perdita di funzionalità o lo smarrimento), dislocati in campo, e da un reader più sofisticato, basato su un dispositivo portatile manovrato da un operatore a distanza; configurazione, questa, che permette di ottenere, in tempi molto rapidi, una grande quantità di dati relativi al ghiacciaio. Allo stato attuale non sono consueti i programmi di ricerca, né le campagne di misura sul campo che applichino la suddetta tecnologia in ambito glaciologico. 5 Monitoraggio dei ghiacciai -­‐ tecniche attualmente utilizzate Al fine di inquadrare meglio il campo di applicazione e di introdurre alcuni termini tecnici utilizzati, sono di seguito riportate alcune definizioni. Un ghiacciaio è costituito da una massa di ghiaccio derivata dalla trasformazione per compattazione delle nevi in firn (neve che ha resistito senza andare incontro a fusione almeno per un anno idrologico) e quindi in ghiaccio. Per compattazione si intende il seppellimento e la cementazione degli strati nevosi e delle acque di fusione, durante la quale i cristalli di neve si ricristallizzano in cristalli di ghiaccio; il processo si considera concluso quando i pori del manto nevoso, che originariamente ha un contenuto in aria superiore al 90%, sono totalmente occlusi e fanno sì che il ghiaccio contenga meno del 20% di aria. La formazione di un ghiacciaio è possibile ad altitudini o latitudini elevate e si completa quando la massa di ghiaccio, sotto la pressione del suo peso, inizia a spostarsi verso quote più basse e dalla zona di alimentazione scende verso valle. La massa del ghiaccio si muove per l’effetto di deformazioni interne, deformazioni all’interfaccia ghiacciaio/bedrock e per slittamento basale; non tutte le porzioni del ghiacciaio si muovono con la stessa velocità, in relazione ai diversi parametri di morfologia del bedrock e di temperatura del ghiaccio. Il movimento può essere facilitato anche dalla presenza di acqua sul fondo, punto in cui la temperatura è prossima a quella di fusione. Tale presenza si verifica nei ghiacciai temperati; in quelli freddi, al contrario, le acque di fusione sono quasi completamente assenti per cui il movimento della massa di ghiaccio è dovuto essenzialmente alle deformazioni che si verificano al suo interno, ma tale comportamento non è di interesse per lo scenario di riferimento relativo ai ghiacciai alpini [1]. Volendo studiare le proprietà fisiche dei ghiacciai e la loro evoluzione (e velocità) è necessario quindi, in prima analisi, identificare due zone del ghiacciaio con comportamento assai diverso: -­‐ la zona di ablazione (per ablazione di intende la perdita di massa del ghiacciaio, che alle nostre latitudini avviene principalmente per fusione di neve e ghiaccio dalla superficie, in relazione alla radiazione solare); -­‐ la zona di accumulo (per accumulo si intende qualsiasi processo che, in un ghiacciaio, contribuisce ad aumentare la massa di neve e ghiaccio). Figura 1 Zone del ghiacciaio Durante lo spostamento, una parte di ghiaccio si perde per ablazione (nella cosiddetta zona di ablazione). Le successive precipitazioni nevose rendono possibili nuovi accumuli (nella cosiddetta zona di accumulo). Sulla base della differenza tra accumulo e ablazione, che dipendono dalle precipitazioni, dalla temperatura, dall'umidità dell'aria, dai venti e dall'inclinazione dei raggi solari, si verificano le seguenti situazioni: -­‐
se la differenza tra l'ablazione e l'accumulo è uguale a zero, il ghiacciaio è in equilibrio; -­‐
se l'accumulo prevale sull'ablazione, il ghiacciaio si espande; -­‐
se l'ablazione prevale sull'accumulo, il ghiacciaio si ritira. L’evoluzione di un ghiacciaio è determinata dal bilancio tra gli accumuli di acqua solida (ghiaccio, neve) e le perdite (ablazione). La misura del bilancio di massa è una metodologia volta a quantificare tali variazioni in un periodo limitato, corrispondente di norma ad un anno idrologico. Si parla di bilancio di massa negativo quando il ghiacciaio è in una fase di contrazione del suo volume, di bilancio positivo quando il ghiacciaio è in fase di espansione. 6 Il bilancio di un ghiacciaio tra perdite ed accumuli, essendo strettamente legato a fattori meteorologici (precipitazioni e temperature), risulta un indicatore importante delle condizioni climatiche. I bilanci, quasi costantemente negativi, misurati sulle varie catene montuose da circa mezzo secolo e la riduzione areale che ne consegue, costituiscono la testimonianza ambientale più sicura e più accettata negli ambienti scientifici dell'incremento termico che caratterizza l'atmosfera del nostro pianeta. Il bilancio di massa può essere calcolato con diversi metodi. La metodologia classica "glaciologica" consiste nell'inserire aste di materiale vario (legno, metallo, etc.) della lunghezza di qualche metro (paline ablatometriche) in fori appositamente realizzati sulla superficie del ghiacciaio con una trivella a mano o a vapore. Successivamente, agli intervalli di tempo prestabiliti per la quantificazione dell’ablazione (generalmente alla fine dell’estate), si misura la porzione di palina che sporge dal ghiaccio o dal nevato e si ottiene un valore puntuale di variazione di spessore. Utilizzando valori standard di densità del ghiaccio (900 kg/m3) o effettuando misure specifiche di densità della neve, si ottiene l'equivalente in acqua dello spessore di materiale (ghiaccio o neve) accumulato o perso dal ghiacciaio. Questi valori puntuali vengono riportati all'intera superficie del ghiacciaio e permettono di ottenere il bilancio in metri cubi di equivalente in acqua (m3WE) e il bilancio netto medio in metri di equivalente in acqua (mWE), dove per equivalente in acqua (in inglese water equivalent –WE-­‐) si intende la quantità di acqua contenuta in un determinato volume di ghiaccio o neve, ottenuta moltiplicando il volume del ghiaccio o della neve per la sua densità e dividendo il tutto per la densità dell'acqua (1000 kg/m3). Fondazione Montagna sicura, in collaborazione con ARPA Valle d’Aosta, esegue la misura del bilancio di massa di 6 apparati glaciali valdostani (anni idrologici 2012-­‐2013, 2013-­‐2014), che implica per ognuno di essi l'esecuzione di almeno due rilievi l'anno: • Petit Grapillon (Courmayeur); • Toula (Courmayeur); • Rutor (La Thuile); • Grand Vallon (Cogne); • Timorion (Valsavarenche); • Indren (Gressoney-­‐La-­‐Trinité). Nello specifico il calcolo del bilancio di massa viene realizzato suddividendo il ghiacciaio in n settori di superficie s omogenei dal punto di vista dell'accumulo (c) e dell'ablazione (a); per ciascun settore si realizza una trincea per determinare la densità del manto nevoso, pesando un campione di neve per ogni suo strato; il contenuto in acqua della colonna di neve indagata viene stimato calcolando la media ponderata (ρ media) delle densità rilevate per ogni strato. Nei settori nei quali è possibile l’ablazione, sono installate una o più paline ablatometriche. In funzione della variazione di ghiaccio misurata, si determina lo spessore della colonna d’acqua persa per fusione in corrispondenza della singola palina ablatometrica, assumendo che la densità del ghiaccio sia sempre pari a 900 kg/m3. L'indicazione fornita dai dati puntuali misurati in corrispondenza delle trincee e delle paline ablatometriche viene considerata valida per tutta la superficie del settore al quale si riferiscono; per quei settori nei quali sono presenti più paline o più trincee si esegue una normale media aritmetica tra i valori determinati. Ogni settore contribuisce in maniera indipendente al bilancio di massa dell'intero ghiacciaio. È infine da considerare che l’accumulo nevoso rilevato all’inizio della stagione di ablazione (ovvero all’inizio dell’estate, determinato dalla media aritmetica di numerose misurazioni dello spessore del manto mediante sondaggi manuali) è assunto essere il massimo accumulo rinvenibile sul ghiacciaio, in quanto è presente tutta le neve caduta durante l’inverno. 7 Bilancio$di$massa$del$ghiacciaio$del$Rutor$
4,00&
2,00&
0,00&
2004/05&
2005/06&
2006/07&
2007/08&
2008/09&
2009/10&
2010/11&
2011/12&
2012/13&
Accumulo&max&(mWE)&
!2,00&
mWE$
Ablazione&totale&(mWE)&
!3,18&
!3,79&
!4,00&
Bilancio&medio&neCo&(mWE)&
Bilancio&medio&neCo&cumulato&(mWE)&
!4,15&
!4,66&
!5,22&
!6,00&
!6,63&
!8,00&
!8,13&
!7,94&
!10,00&
Figura 2 Grafico del bilancio di massa del ghiacciaio del Rutor dall’inizio dell’attività. Le difficoltà legate a questo tipo di monitoraggio si possono ricondurre principalmente al tempo impiegato nel realizzare una singola campagna di misura, alle misure di tipo puntuale della densità della neve, ricavate scavando trincee, e, di conseguenza, allo sforzo fisico ed all’esposizione al pericolo degli operatori che devono agire in alta quota su terreni ghiacciati. A questo livello intervengono i dispositivi elettronici (tag) con tecnologia RFID, oggetto del progetto MALATRÀ, abbinati a sensori di pressione e temperatura, che sono stati installati sui ghiacciai con lo scopo di monitorarne l’evoluzione. B) Il sistema MALATRA Il sistema di misura basato sulla tecnologia RFID che si è deciso di sviluppare nel progetto MALATRÀ è composto principalmente da: -­‐ tag, dispositivo elettronico di piccole dimensioni e a basso costo (per cui ne è accettabile la perdita di funzionalità o lo smarrimento), dislocato in campo; i tag hanno la caratteristica di essere impermeabili, resistenti agli agenti atmosferici e alle basse temperature; particolare attenzione è stata rivolta alla riduzione dei consumi al fine di aumentare la durata delle batterie; -­‐ sensori associati ai tag, per la misura di diverse grandezze fisiche del ghiaccio; sono stati individuati vari sensori di tipo digitale ed analogico, con tempo di start-­‐up molto breve e che permettono di attuare un attento monitoraggio dei consumi; il tempo di start-­‐up di un sensore permette di spegnerlo ed accenderlo solamente per pochi istanti durante l'effettuazione della misura; -­‐ reader: dispositivo portatile manovrato da un operatore per l’individuazione dei tag tramite tecnologia RFID. B1 Grandezze fisiche misurate Mediante un continuo confronto tra glaciologi e sviluppatori dei dispositivi è stato possibile coniugare le esigenze glaciologiche con le limitazioni operative legate all’ambiente ostile in cui ci si trova a lavorare e con le caratteristiche tecniche che deve avere il sistema. Si è pertanto stabilito di sviluppare 8 dispositivi RFID dotati di sensori in grado di misurare la temperature, la pressione, la rotazione rispetto al nord magnetico e la variazione di inclinazione rispetto alla verticale, sia in ghiaccio. La temperatura permette di stabilire il regime termico di un ghiacciaio; attualmente in Valle d’Aosta le attività di monitoraggio dei ghiacciai non implicano misure di questo tipo in maniera estensiva. La determinazione del regime termico è utile per definire quali ghiacciai (o quali settori di ghiacciaio) sono freddi e quali temperati; nel secondo caso esiste infatti la possibilità di acqua liquida all’interno del ghiacciaio e pertanto di sviluppo di laghi endoglaciali, che possono dare luogo a rotte improvvise con conseguenti piene nei corsi d’acqua a valle (vedi ad es. il caso del ghiacciaio di Tête Rousse in Francia). I dispositivi MALATRA potrebbero sostituire le catene termometriche, utilizzando una serie di tag equipaggiati di sensori di temperatura. A tal fine si è optato per un sensore in grado di apprezzare variazioni dell’ordine di 0.1°C, tipicamente una PT1000, che è stato ubicato in una posizione periferica sulla scheda, in modo da evitare che il riscaldamento, peraltro minimo, dovuto al funzionamento della scheda, influisca sulle misurazioni della temperatura. La pressione risulta importante ai fini del calcolo del bilancio di massa. L’obiettivo è misurare il peso del manto nevoso soprastante il sensore (posizionato all’interfaccia ghiaccio-­‐neve), grazie al quale è possibile ricavare l’equivalente in acqua della neve (Snow Water Equivalent -­‐ SWE). Infatti essendo lo SWE definito come il prodotto dell’altezza del manto nevoso per la sua densità, rapportato alla densità di riferimento dell’acqua 𝐻!"#" ∙ 𝜌!"#"
𝑆𝑊𝐸 =
𝜌!"#$!
è immediato risalire ad esso una volta noto il valore della pressione in un determinato punto, che, secondo la legge di Stevino, è espressa come il prodotto dell’altezza del manto nevoso per la sua densità 𝐻!"#" ∙ 𝜌!"#" Posizionando i tag RFID in numerosi punti della superficie del ghiacciaio, sarà possibile ottenere dei dati maggiormente distribuiti nello spazio rispetto a quanto sia possibile fare con lo scavo di trincee ed evitare le operazioni di scavo associate alla determinazione dello SWE. L’orientamento rispetto alla verticale del dispositivo calato in foro, infine, permette di ricostruire il movimento dello strato di ghiaccio nel corso del monitoraggio; inoltre mantenere la più completa verticalità assicura una migliore trasmissione del segnale radio in superficie. Tale grandezza viene misurata mediante l’uso di un accelerometro triassiale. A queste grandezze si associa la localizzazione dei tag che, solidali al ghiaccio, permettono di derivarne la velocità di spostamento in alcuni punti. B2 Scenari di installazione Dalle analisi condotte dall’Unità di Ricerca sulle possibilità di impiego operativo dei sensori RFID nelle campagne di monitoraggio dei ghiacciai, si sono identificate due modalità di posizionamento con obiettivi di misura diversi. Installazione dei sensori RFID mediante scavo In considerazione del continuo accrescimento del ghiacciaio, nella zona di accumulo si può prevedere l’installazione dei sensori mediante escavazione dello strato di neve e seppellimento dei sensori stessi al di sotto di questo primo strato, fino all’interfaccia neve-­‐ghiaccio. Nel tempo il sensore si sposterà in pianta e verrà ricoperto da nuova neve che andrà ad accrescere lo strato nevoso sopra di esso. Figura 3. Installazione dei sensori RFID nella zona di accumulo 9 Il vantaggio di tale tipo di installazione risiede nell’assenza di vincoli particolari sulla forma e dimensione dei tag RFID. In tale modo si può scegliere la dislocazione dei sensori ed il posizionamento dell’antenna nel modo ottimale. Lo svantaggio è dovuto al lungo tempo necessario alla realizzazione dell’apertura per l’installazione del sensore, mediante scavo manuale. Indicativamente, se pensiamo di trovare dai 3 agli 8 metri di neve, tale tipologia di installazione diventa del tutto impraticabile; con un tempo di realizzazione di una buca che varia da 20 minuti a 90 minuti: volendo installare almeno 5 sensori, sarebbero impiegare oltre 7 ore. Installazione dei sensori RFID mediante sonda a vapore Nella zona di ablazione la neve che si può trovare in primavera scompare totalmente durante l’estate rendendo visibile il ghiaccio sottostante; perché i dispositivi rimangano solidali al ghiacciaio è necessario inserirli direttamente nel ghiaccio. Ciò è possibile mediante l’utilizzo della sonda a vapore, strumento utilizzato nelle campagne glaciologiche per l’installazione di paline ablatometriche. Tale strumento permette di eseguire dei fori nella neve e nel ghiaccio del diametro di 5,5 cm e della profondità massima di 10 metri. Figura 4. Installazione dei sensori RFID nella zona di ablazione Il vantaggio di tale tipo di installazione risiede nell’utilizzo di uno strumento che richiede da un minimo di 30 minuti fino ad un’ora per la realizzazione di ogni foro (considerando di utilizzare un ugello dal diametro maggiore rispetto a quello usato per l’installazione delle paline ablatometriche) e la cui velocità dipende dalla compattezza dei vari strati senza la richiesta di accorgimenti aggiuntivi. In tale caso, sempre nell’ipotesi di voler installare fino a 5 sensori nella medesima zona, il tempo si ridurrebbe tra le 3 e le 5 ore. Lo svantaggio di tale metodologia di installazione risiede nelle specifiche stringenti per la realizzazione del dispositivo. In tale scenario è necessario costruire dei tag con il diametro massimo di 55 mm e con uno sviluppo in lunghezza. Pertanto, per il sistema MALATRA, si è deciso che l’installazione dei tag RFID sia effettuata utilizzando la sonda a vapore per le maggiori profondità raggiungibili, i tempi più rapidi e la minore fatica umana di realizzazione dei fori. Una volta praticato il foro e inseritovi il tag RFID completo di sensori, la procedura di lettura dei dati contempla le seguenti fasi: • individuazione indicativa della posizione del tag mediante GPS; • individuazione più raffinata del tag mediante l’uso del reader, che, sulla base della tecnologia RFID, invia un segnale radio al tag misurandone l’intensità del segnale di risposta (RSSI); • interrogazione del tag e acquisizione delle misure memorizzate; • analisi dei dati acquisiti. B3 Definizione delle specifiche del sistema B3.1 Determinazione delle frequenze di utilizzo per i ghiacciai Principi di funzionamento della tecnologia RFID e WSN per i ghiacciai Al fine di definire le specifiche del sistema è stata eseguita una ricerca bibliografica in particolar modo volta ad analizzare lo stato dell’arte delle reti WSN (Wireless Sensor Network) e RFID (Radio Frequency IDentification) applicate al monitoraggio dei ghiacciai [2]. 10 Una rete di sensori RFID è una rete costituita da un numero variabile di dispositivi, distribuiti nello spazio e indipendenti tra di loro, ognuno dei quali equipaggiato con sensori in grado di misurare dati di interesse che vengono trasmessi al dispositivo di lettura (reader). Ogni dispositivo viene interrogato singolarmente. Una rete di sensori wireless (WSN) è una rete costituita da un numero variabile di nodi autonomi, distribuiti nello spazio, che cooperano tra di loro per monitorare delle variabili di interesse. I nodi con a bordo i sensori rilevano i dati di interesse che vengono trasmessi alla stazione base (reader). I nodi wireless sono equipaggiati con: • trasmettitore radio; • microcontrollore; • sensori di misura; • alimentazione. Per quanto riguarda la rete WSN e l’utilizzo di sistemi RFID il progetto GlacsWeb (http://GlacsWeb.org) monopolizza quasi tutta la letteratura scientifica in merito e costituisce la base per sviluppi futuri [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]. Il progetto GlacsWeb, a partire dal 2003 sul ghiacciaio Briksdalsbreen in Norvegia, ha sperimentato un sistema composto da sensori RFID installati ad una profondità di circa 80m nello spessore del ghiaccio, che comunicavano con una stazione di base fissa in superficie trasmettendo segnali radio ad un frequenza stabilita inizialmente a 868MHz. Successive modifiche nei valori di frequenza hanno consentito di raggiungere risultati migliori utilizzando tag attivi operanti a 433MHz. Un minore valore di frequenza corrisponde appunto ad una maggiore penetrazione del segnale attraverso il materiale di indagine. In una seconda installazione del 2008 sul ghiacciaio Skalafellsjökull, in Islanda, sono state raggiunte profondità di installazione dei sensori fino a circa 100m ed una frequenza di trasmissione pari a 173MHz, che ha consentito di ridurre ulteriormente le perdite di segnale dovute alla riflessione ed alla dispersione nel ghiaccio. I sensori erano equipaggiati con microcontrollori Microchip Technology dotati di 4kB di memoria, in grado di immagazzinare i valori misurati dai sensori di temperatura, inclinazione, pressione e conducibilità elettrica; inoltre un ricevitore GPS di superficie consentiva di determinare l’esatta ubicazione dei sensori e di tracciarne gli spostamenti. Frequenza di funzionamento in ghiaccio Analizzando gli studi eseguiti nel progetto GlacsWeb è emerso che la frequenza da utilizzare è intorno ai 300 MHz. Frequenze utilizzate e funzionanti sono sia 315 MHz, sia 173 MHz, che presenta minori attenuazioni, anche se il suo utilizzo in una scheda elettronica realizzata per la rete in questione risulta più delicato [10] [11] [12]. Secondo quanto riportato nel progetto GlacsWeb, la costante dielettrica del ghiaccio εr è pari a 3.17, misurata alla frequenza di 1.8 GHz. Tale valore, secondo calcoli svolti, comporterebbe una perdita di 25 dB per 100 m. Tuttavia questo calcolo è stato effettuato considerando ghiaccio di acqua pura, senza le inclusioni che caratterizzano gli scenari reali e comportano un degrado delle prestazioni. Nel progetto varie evoluzioni dei nodi wireless si sono succedute, passando dall’utilizzo della frequenza pari a 868 MHz (con trasmettitore da 10 mW) all’utilizzo della seconda frequenza tipica dello standard RFID pari a 433 MHz (con potenza trasmessa a 100 mW), per giungere all’impiego di trasmettitori/ricevitori a 173 MHz (sempre con potenza trasmessa pari a 100 mW). La seconda e la terza versione dei nodi hanno consentito di raggiungere i 100 m come range di trasmissione tra sensore in ghiaccio e reader. Parziale conferma dei calcoli di attenuazione di propagazione nel ghiaccio (Na) possono essere trovati utilizzando la formula seguente [13] [14] [15]: dove La è la “lunghezza di attenuazione” nel ghiaccio pari a: 11 In base al tipo di acqua da cui è costituito il ghiaccio e considerando di avere una conducibilità nell’intervallo che varia da 5.5 μS/m per acqua purissima a 5000 μS/m per acqua potabile (la variazione è dovuta alla composizione chimica del ghiaccio), si ha un’attenuazione che varia da 2.28 dB/km a 4560 dB/km. Un’attenuazione di 25 dB in 100 m, ossia di 250 dB/km, si ottiene assumendo che il ghiacciaio abbia conducibilità pari a 275 μS/m. L’attenuazione calcolata con tale formula, così come quella indicata nel progetto GlacsWeb deve essere considerata con attenzione in quanto è influenzata da vari parametri (temperatura, frequenza, composizione del ghiaccio). Risulta pertanto molto difficile stabilire a priori senza misure pratiche ed in modo preciso l’attenuazione che si ha in un particolare ghiaccio, potendo inoltre variare anche in funzione del tempo. Nell’articolo “Dielectric properties of ice and snow” invece, anche se non è molto recente, essendo stato pubblicato nel 1965, viene già indicato come “di grande interesse” il range di frequenze tra 30 e 300 MHz, che consente la propagazione di radiofrequenze all’interno di grandi masse di ghiaccio e acqua [16]. Si è deciso che la capsula contenente il tag RFID sia posta in foro verticalmente ed abbia forma di tipo cilindrico chiusa da due calotte sferiche (maggiore resistenza alla pressione del ghiaccio). Per cui la superficie riflettente ad un’onda incidente, indicata come RCS (Radar Cross Section, σ), assumendo r pari a 0.028m e una frequenza f pari a 315MHz, viene così determinata: σ = πr2=0.0024m2 r = 0.028m f = 315 MHz λ = 0,9524 m Ipotizzando una distanza D di circa 10 m, si avrebbe che D è molto maggiore di λ (D ≫ λ), ma la lunghezza d’onda è molto maggiore del raggio delle capsule (λ ≫ r ), per cui ci si trova nella situazione di dover applicare il fattore di riduzione di Rayleigh per la RCS. Figura 5 Radar Cross Section di una sfera Nel caso in esame ci troviamo con 2πr2/λ=0.005 ≪ 0.1; calcolando ora RCS con il fattore di correzione, trovandoci nella regione di Rayleigh otteniamo una σ=2e-­‐5 m2, il che significa che per la lunghezza d’onda utilizzata il tag offre una superficie riflettente praticamente invisibile. Solo a titolo di esempio, utilizzando un GPR pulsato con una potenza di 10kW, con una capsula alla distanza di 10 metri, applicando l’equazione del radar in spazio libero (cioè senza contare l’attenuazione del ghiaccio e neve) 12 otterremmo che la potenza ricevuta è pari a Pr~ 1e-­‐9 W, ossia praticamente irrilevabile [17] [18] [19] [20]
[21] [22]. La frequenza di funzionamento per la comunicazione tra tag e reader è stata pertanto scelta pari a 315MHz. Determinazione della posizione dei nodi della rete Al fine di determinare la posizione dei nodi collocati all’interno del ghiacciaio, ciò che crea più problemi è l'interfaccia tra lo strato di ghiaccio-­‐neve e quello tra aria-­‐neve o aria-­‐ghiaccio dove si perdono anche più di 10 dB come dimostrato nella seguente tabella, tratta dal capitolo “Radar systems for glaciology” di Zirizzotti et. al. del libro “Radar Technology” [2]. Tabella 1. Perdite per trasmissione e riflessione nelle interfacce aria/ghiaccio/acqua Si ricorda che per due materiali dielettrici differenti, con impedenze diverse, nella zona di contatto tra i due si crea una discontinuità che causa una parziale riflessione dell’onda incidente. Tale riflessione è determinata dal coefficiente di riflessione Г calcolato come segue: Γ = 𝑍! − 𝑍!
𝜀! − 𝜀! =
𝑍! + 𝑍!
𝜀! + 𝜀!
Dove Z1 e Z2 sono le impedenze dei due materiali e ε1 e ε2 sono le rispettive costanti dielettriche. Per quanto riguarda acqua, ghiaccio e aria le costanti dielettriche sono le seguenti: ε_water=81 ε_ice=3.2 ε_air=1 Il progetto GlacsWeb prevede che il transceiver che dialoga con i nodi sia posizionato direttamente nella neve [5]. Al fine di ridurre le perdite il reader utilizzato per interrogare i nodi, al momento in cui viene portato sul ghiacciaio per acquisire i dati dai nodi, dovrà essere costituito da un supporto (“sonda”) che termini con l’antenna. Tale sonda viene posizionata a contatto (all’interno secondo la teoria) con il ghiaccio al fine di ridurre, ed eventualmente eliminare, le attenuazioni del segnale dovute alla presenza di un mezzo stratificato. Interrogando i sensori RFID con la sonda da più punti diversi, conoscendo l’apertura dell’antenna ed il suo guadagno, misurando l’RSSI (Received Signal Strength Indicator) e trattando tali misure con gli appositi algoritmi di localizzazione [17] si dovrebbe determinare, con una certa approssimazione, la posizione dei nodi precedentemente collocati nel ghiaccio. B3.2 Scelta delle antenne Le antenne sono un elemento critico del sistema di comunicazione tra tag e reader soprattutto se si desidera attraversare spessori non noti a priori di neve e ghiaccio e si tiene conto delle limitate dimensioni che devono assumere all’interno della capsula. Infatti la frequenza di esercizio del sistema presupporrebbe l'impiego di antenne dalla dimensione di circa 1 metro di lunghezza. L'impiego di antenne miniaturizzate associate a bassissimi livelli di potenza irradiata sono esigenze progettuali oggettive che hanno reso il lavoro di sviluppo, test e misura una vera sfida. 13 Sono stati individuati ed acquistati due tipi di antenne per la comunicazione; infatti si sono prese in considerazione anche le antenne elicoidali e non solo i dipoli classici, come indicato dalla letteratura relativa al progetto GlacsWeb. I test preliminari di funzionamento con le due tipologie di antenne previste (si veda il deliverable per i dettagli), con collegamenti in aria e senza ostacoli, a distanza ravvicinata, hanno dato buon esisto per entrambe, sia in ricezione che in trasmissione. B3.3 Capsula contenitrice Le dimensioni del foro praticato in ghiaccio e in neve dalla sonda a vapore hanno vincolato la progettazione della capsula contenitrice, che si è dovuta dimensionare sulla base di un volume dalla forma cilindrica, per facilitarne l’introduzione nel foro. È sulla base di tale soluzione che in seguito si è cercato di sviluppare la tecnologia elettronica miniaturizzata in grado di essere contenuta dentro l’involucro progettato. Il disegno realizzato è stato consegnato ad una ditta di stampaggi in plastica che ha realizzato i primi esemplari del manufatto in nylon sinterizzato con infiltratura in resina epossidica, le cui caratteristiche sono riportate nel deliverable contenuto nel paragrafo B3.4. Figura 6 Disegno quotato della capsula Stampante 3D e involucro in PLA (Plastica ecologica) Considerato il prezzo delle capsule realizzate per il progetto, che indicativamente ammonta a circa 180 euro, IVA inclusa, per singolo involucro, e la necessità di doversi dotare di ulteriori “contenitori” in plastica per il reader RFID, che fossero trasparenti alle onde elettromagnetiche, si è deciso di utilizzare la recente tecnologia di stampa 3D per la prototipazione in piccole serie di oggetti dalle dimensioni contenute. Pertanto sono state sviluppate le conoscenze e le competenze necessarie allo scopo, concretizzate nelle seguenti attività: •
individuazione sul mercato della stampante da utilizzare; •
assemblaggio di tutte le parti costitutive la stampante 3D; •
calibrazione degli assi x,y,z e del piano di stampa; •
realizzazione del disegno tecnico quotato in 3D; •
configurazione del driver di stampa per la generazione del codice necessario al funzionamento delle macchine a controllo numerico; 14 • stampa dei prototipi. Gli oggetti progettati, disegnati e realizzati sono stati i contenitori del reader RFID e del rilevatore di fase (dispositivo descritto nella sezione sulla localizzazione del tag RFID). Figura 7 Screenshot del programma di disegno 3D raffigurante il progetto del contenitore del reader. Come materiale di costruzione è stato individuato il materiale plastico PLA (Acido Polilattico) una termoplastica biodegradabile derivata da risorse rinnovabili come amido di mais o patate o radici di tapioca. Da notare comunque che il processo di biodegradazione è strettamente connesso a fattori quali temperatura, umidità, ossigenazione, concentrazione di microrganismi che la sostanza incontra nel suo iter di biodegradazione. Pertanto un eventuale involucro costituito da sostanze organiche come il PLA difficilmente “svanisce” in ambiente glacializzato (notoriamente le sostanze organiche si conservano nel ghiaccio), ma potenzialmente rimane questa caratteristica ecologica degli involucri realizzati. Nelle immagini sotto riportate è possibile vedere le fasi di stampa e il prodotto finito. Figura 8 Fase di stampa 3D del basamento del contenitore del reader. Figura 9 Crescita della stampa 3D con emersione degli elementi di fissaggio ad incastro del circuito stampato del reader. 15 Figura 10 Oggetto 3D completo di coperchio personalizzato. Le aperture laterali sono state anch'esse prodotte dalla stampante 3D. Figura 11 Interno del contenitore stampato. Da rilevare la presenza dei 4 elementi di bloccaggio della scheda progettati "su misura". Tale tecnologia è oggi molto accessibile anche in termini economici, sebbene, dalle prove condotte, ci si sia resi conto di come il processo per l’ottenimento del prodotto finale sia ancora un processo lungo e laborioso, lasciando intendere quanto poco matura sia la tecnologia utilizzata. Dopo aver configurato e calibrato il sistema di stampa 3D, è stato disegnato e realizzato il prototipo di capsula contenitrice in PLA. Nelle foto che seguono è possibile vedere le fasi di stampa di una metà della capsula contenitrice e il prodotto finito. 16 Contenitori a tenuta stagna A causa dell’elevato costo di produzione delle capsule realizzate in nylon sinterizzato, si è deciso di percorrere anche la soluzione di utilizzare involucri nati appositamente per l’ambiente acquatico, in grado di resistere alle alte pressioni idrostatiche. Si tratta di contenitori stagni con chiusura a vite, adatti alle 17 immersioni subacquee, utili per contenere chiavi, telefoni e altri piccoli oggetti; le dimensioni sono adatte a contenere i tag sviluppati. Dal punto di vista meccanico e dell’impermeabilità i contenitori a tenuta stagna sono garantiti dal costruttore per l’uso in ambienti subacquei, pertanto non sono stati caratterizzati sotto tale aspetto, ma nemmeno dal punto di vista della trasparenza alle onde elettromagnetiche, in quanto se ne è fatto un uso talmente limitato (un solo uovo a tenuta stagna è stato installato sul ghiacciaio dell’Indren) che il test avrebbe richiesto risorse eccessive. B3.4 Specifiche del sistema Sulla base di quanto sopra riportato sono state definite le specifiche della strumentazione (oggetto del primo deliverable previsto dallo studio di fattibilità – Deliverable WP3 Specifiche del sistema, allegato alla presente). Il Deliverable è stato emesso in una prima versione a luglio 2013, tuttavia in seguito ad analisi e test che avevano fatto emergere alcune imprecisioni nella prima release del PCB, è stata realizzata una seconda release riveduta e corretta, che è sfociata in un Deliverable finale proposto nelle tabelle seguenti. Nella scelta dei componenti elettronici sono stati adottati particolari accorgimenti per ridurre i consumi, così come nella successiva fase di scrittura del firmware. Ambiente operativo Temperature neve – ghiaccio Massima profondità di installazione dei sensori Dimensione fori (diametro) Pressione massima del ghiaccio -­‐10°C a +1°C 15 metri 50 mm 200 kPa Tabella 2. Specifiche ambiente operativo Comunicazioni radio Le tipologie di antenne individuate sono due. Il tipo 1 viene montato sulla scheda RFID che ha la funzione di reader; il tipo 2 è montato sulla scheda RFID che funge da tag. Tipo 1 Produttore: Linx Technologies Modello: ANT-­‐315-­‐CW-­‐RH-­‐SMA Tecnologia: elicoidale Frequenza: 315MHz Larghezza di banda: 10MHz Datasheet: https://www.linxtechnologies.com/resources/data-­‐
guides/ant-­‐315-­‐cw-­‐rh.pdf Tipo 2 Produttore: Linx Technologies Modello: ANT-­‐315-­‐HETH Tecnologia: elicoidale Frequenza: 315MHz Larghezza di banda: 10MHz Datasheet: https://www.linxtechnologies.com/resources/data-­‐
guides/ant-­‐xxx-­‐hexx.pdf Tabella 3. Specifiche di comunicazione radio tag RFID Alimentazione a batteria/consumi Produttore: VARTA Serie: ER C Numero di batterie per tag: 1 Tipologia batterie: LiSOCl2 Tensione nominale: 3,6 V Capacità: 8500mAh Peso: 50g Diametro esterno: 25.9mm 18 Altezza: 50.5mm Datasheet: http://www.varta-­‐
microbattery.com/applications/mb_data/documents/data_sheets/DS7114.pdf Tabella 4. Alimentazione e consumi Sensoristica Temperatura Sono state testate due tipologie di sensori di temperatura, allo scopo di selezionare la più appropriata, individuata nel “tipo 1” Tipo 1 Produttore: IST – Innovative Sensor Technology Modello: P1K0.232.6W.A.010 Temperatura minima di rilevamento: -­‐200°C Temperatura di rilevamento massima: +600°C Resistenza: 1kohm Materiale: platino Classe di precisione alle temperature di esercizio dell’ambiente operativo: A Temperatura di esercizio minima: -­‐200°C Temperatura di esercizio massima: +600°C Resistenza al punto di congelamento: 1000ohm Datasheet: http://www.ist-­‐ag.com/eh/ist-­‐
ag/resource.nsf/imgref/Download_6W7W_Platinum.pdf/$FILE/6W7W_Platinum.pdf Tipo 2 Produttore: IST – Innovative Sensor Technology Modello: P1K0.0805.2P.A Temperatura minima di rilevamento: -­‐50°C Temperatura di rilevamento massima: +150°C Resistenza: 1kohm Materiale: platino Classe di precisione alle temperature di esercizio dell’ambiente operativo: A Temperatura di esercizio minima: -­‐200°C Temperatura di esercizio massima: +200°C Resistenza al punto di congelamento: 1000ohm Datasheet: http://www.ist-­‐ag.com/eh/ist-­‐
ag/resource.nsf/imgref/Download_SMD_Platinum.pdf/$FILE/SMD_Platinum.pdf Accelerazione Output: digitale Produttore: Analog Devices Modello: ADXL345BCCZ Accelerometro: triassiale Accelerazione: da ±2g a ±16g Risoluzione minima: 10bits Tensione di alimentazione: da 2V a 3.6V Temperatura di esercizio massima: 85°C Temperatura di esercizio minima: -­‐40°C Datasheet: http://www.analog.com/static/imported-­‐files/data_sheets/ADXL345.pdf Pressione Produttore: Honeywell Serie: SSC – Silicon Ceramic Series Modello: SSCDANT030PG2A3 Output: digitale Pressione di lavoro: 0-­‐200kPa Tipo di pressione: relativa (gauge) Precisione: 2% fondo scala Involucro: Dual Inline Pin (DIP) Tipo di porta: Single Axial Barbed Temperatura di esercizio massima: 85°C 19 Temperatura di esercizio minima: -­‐20°C Corrente di alimentazione: 1.6mA Tensione di alimentazione: 3.3V Risoluzione minima: 12bits Datasheet: http://sensing.honeywell.com/honeywell-­‐sensing-­‐ssc-­‐digital-­‐silicon-­‐
pressure-­‐sensors-­‐product-­‐sheet-­‐008213-­‐2-­‐en.pdf Magnetometro Produttore: Honeywell Modello: HMC5883L-­‐TR Campo magnetico minimo: -­‐8 gauss Campo magnetico massimo: +8 gauss Risoluzione: 0.005 gauss Temperatura di esercizio massima: 85°C Temperatura di esercizio minima: -­‐30°C Datasheet: http://www51.honeywell.com/aero/common/documents/myaerospacecatalog-­‐
documents/Defense_Brochures-­‐documents/HMC5883L_3-­‐
Axis_Digital_Compass_IC.pdf Tabella 5. Sensori di misura Microcontrollore Produttore: Texas Instruments Modello: CC430F5135IRGZ Memoria RAM: 2kB Velocità CPU: 20MHz Numero di pin: 48 Memoria di programma: 16kB Tensione di alimentazione: da 1.8V a 3.6V Temperatura di esercizio massima: 85°C Temperatura di esercizio minima: -­‐40°C Datasheet: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc430f5137.pdf Tabella 6. Microcontrollore Memoria flash per storage in locale Produttore: Microchip Modello: SST25VF020B Quantità di memoria: 2Mbit Numero di pin: 8 Tensione di alimentazione: da 1.8V a 3.6V Temperatura di esercizio massima: 85°C Temperatura di esercizio minima: -­‐40°C Datasheet: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/20005054C.pdf Tabella 7. Memoria flash Dimensioni e caratteristiche meccaniche capsula-­‐contenitore Realizzazione Prototipazione presso ditta di stampaggio Forma involucro Cilindrica con coperchio sommitale Dimensioni Lunghezza: 220mm Diametro esterno: 48mm Spessore: 3mm Materiale involucro Nylon sinterizzato con infiltratura in resina epossidica Proprietà meccaniche Carico di rottura: 43MPa 20 Resistenza chimica Proprietà termiche Proprietà elettriche Proprietà dielettriche Realizzazione Forma involucro Materiale involucro Modulo elastico: 1517MPa Resistenza meccanica (prova d’urto di Izod): 216 J/m Sostanze alcaline, idrocarburi, combustibili e solventi Punto di fusione: 184°C Resistività elettrica (22°C, 50% RH, 500V): 3.1E+14 ohm-­‐cm Costante dielettrica (22°C, 50%RH, 5V, 1000Hz): 2.9 Rigidità dielettrica (22°C, 50% RH, in aria, 500 V/sec): 1.6E+4 V/mm Stampa 3D Cilindrica con coperchio sommitale PLA – Acido Polilattico (lastica ecologica) Tabella 8. Caratteristiche meccaniche e materiale della capsula contenitore B4 Sviluppo del sistema B4.1 Progettazione e ingegnerizzazione del PCB Dopo aver individuato i componenti necessari per soddisfare i requisiti progettuali ed ottenuto tutti i datasheets (contenenti le specifiche di interfacciamento dei sensori) si è proceduto allo sviluppo ex novo della scheda elettronica (PCB -­‐ printed circuit board) seguendo tutte le fasi di progettazione: -­‐ connessione logica dei componenti e stesura dello schema elettronico; -­‐ disegno cad e circuitale del tag/reader, passando per il posizionamento dei componenti sulla scheda definita in termini di dimensioni reali e tenendo conto dei vincoli di dimensionamento della PCB; -­‐ disegno delle piste di collegamento dei diversi componenti (sbroglio). PCB, acronimo di Printed Circuit Board, rappresenta il supporto meccanico sul quale sono montati i componenti elettronici e definisce l’occupazione spaziale della scheda stessa. In termini più popolari è la cosiddetta “schedina elettronica”. B4.1.1 Schema elettrico Il primo passo della progettazione è stato definire lo schema elettrico di connessione dei vari componenti seguendo le specifiche dettate dai datasheets. In questa fase si sono curati gli adattamenti di impedenza per le connessioni e definite le masse e le tensioni di alimentazioni necessarie. L’elemento centrale del progetto è il microcontrollore attorno al quale si sviluppano i collegamenti verso: i connettori dati (JTAG e RS232), la memoria, i sensori e l’antenna attraverso un un circuito in microstriscia. Data la compressità del circuito, nella figura sottostante, si riporta a titolo di esempio lo schema elettrico di connessione del solo sensore di temperatura PT1000. 21 Figura 12 Estratto dello schema elettrico – circuito di adattamento della PT1000 B4.1.2 Disegno CAD della scheda (layout) Definiti i collegamenti elettrici necessari tra i componenti si è passati al disegno CAD della scheda definendo la disposizione dei componenti sulla scheda: 1. in posizione centrale il microcontrollore e la memoria; 2. ad una estremità del PCB i connettori per l’alimentazione: le batterie verranno inserite nella capsula nell’estremità inferiore della stessa; 3. in posizione laterale le interfacce di comunicazione Jtag e RS232; 4. in posizione periferica i sensori: il sensore di pressione(il connettore a 4 fili permette di collegare il sensore che è posto all’estremità inferiore della capsula al di sotto delle batterie), la PT1000, l’accelerometro e il magnetometro; 5. all’estremità superiore della scheda il circuito in microstriscia di adattamento dell’antenna e l’alloggiamento per l’antenna. 22 Figura 13 Layout del PCB B4.1.3 Generazione dei file gerber La parte di progettazione delle schede PCB si conclude con la dislocazione definitiva delle piste sul PCB e la verifica di tutti gli elementi del disegno (hole, piani di massa,…) prima di generare i file “macchina” (gerber) utilizzati in fase di produzione del PCB e di assemblaggio dei componenti. Ricordiamo che la scheda elettronica è composta da 4 strati e per ognuno di essi viene definito dove devono essere depositate le piste, le piazzole e dove praticare i fori. Per la prima versione si è deciso di produrre n°8 esemplari di schede PCB e di acquistare il relativo materiale elettronico (sensori e componenti) ed antenne radio necessari per l’assemblaggio. In questa fase si sono individuati due tipi di antenne per la comunicazione e durante i test operativi si individuerà quella che garantisce le migliori prestazioni nell’ambiente operativo di ghiaccio e neve. 23 Figura 14 La prima versione realizzata della scheda a circuiti stampati Le schede sono state fatte assemblare a macchina da una ditta specializzata, ad eccezione del sensore di pressione, di temperatura e dell'antenna radio, per i quali si è previsto di assemblarli successivamente in autonomia. Infatti il sensore di pressione deve essere montato manualmente sul fondo della capsula perché possa prelevare il valore di pressione all'esterno dell'involucro stesso. Il sensore di temperatura deve essere caratterizzato completamente nella sua dinamica di funzionamento per garantire la corretta lettura e se ne vuole verificare il comportamento e compatibilità con gli altri componenti della PCB. B4.2 Sviluppo del software Una volta realizzate le printed circuit board (PCB) la fase successiva ha visto l’avvio dello sviluppo del firmware, ovvero del software che equipaggia il tag ed è deputato al controllo ed alla gestione di tutte le attività eseguite dal microprocessore (raccolta delle misure dai sensori sia analogici che digitali, elaborazione e memorizzazione delle informazioni, risposta alle richieste del reader, comunicazione dei dati, etc) e successivamente l'implementazione dell'interfaccia utente. L’attività è stata suddivisa in diversi passi: 1. Sviluppo dei drivers di ogni sensore e componente della scheda Nello sviluppo dei driver è stato quindi scritto tutto il software necessario al corretto funzionamento della parte elettronica presente sul PCB. I driver sviluppati per il tag hanno riguardato i seguenti sensori e dispositivi periferici del microcontrollore: a. Sensori: i. Accelerometro (sensore digitale) ii. Magnetometro (sensore digitale) iii. Sensore di temperatura (sensore analogico interfacciato con porta analogica del SoC) iv. Sensore di pressione (sensore analogico interfacciato con porta analogica del SoC) b. Periferiche del microcontrollore: i. USART (porta per la comunicazione digitale in forma seriale) ii. I2C (porta per la comunicazione digitale con i sensori) iii. SPI (porta per la comunicazione digitale con i sensori) iv. RF (trasmettitore a radiofrequenza integrato nel SoC) v. Memoria Flash (dispositivo per la memorizzazione dei dati 2. Verifica del funzionamento di ogni componente della scheda PCB 24 La scrittura dei driver ha permesso di scrivere delle routine di test per verificare ogni componente. Si è quindi sviluppato un firmware di test che una volta installato sul microcontrollore permette di verificare la funzionalità della scheda. Un esempio è la scrittura completa della memoria e la successiva lettura al fine di verificare se non vi siano dei settori danneggiati; un altro esempio è la lettura dei valori di tensione del sensore di pressione al fine di verificare se rientra nelle specifiche (in seguito viene eseguita la taratura fine del sistema). Dai test eseguiti su questa prima versione della scheda si sono ottenuti ottimi risultati in termini di risposta dei componenti e affidabilità del firmware. Ricordiamo che la scheda è stata sviluppata ad hoc per questa applicazione con un ridotto ingombro (quattro strati e dimensioni di 40mmx10mm), quattro sensori e una parte a microonde. Si sono solamente riscontrati dei difetti nell’assemblaggio da parte della ditta fornitrice dell’accelerometro, che non forniva le dovute letture in formato digitale; a seguito di una riparazione, anche questo sensore è comunque utilizzabile, seppure non si abbia la medesima garanzia di affidabilità, dopo un intervento di riparazione eseguito a mano su componenti di pochi millimetri di dimensione. Per lo sviluppo si è deciso di proseguire con le schede finora prodotte, ma, prima di procedere all’utilizzo dei dispositivi per un tempo prolungato in campo, si provvederà ad un nuovo acquisto. 3. Firmware per test preliminari di trasmissione Al fine di verificare la funzionalità del trasmettitore operante a radiofrequenza integrato nel microcontrollore e di poter disporre di una prima indicazione reale sul range in aria del prototipo sviluppato si è scritto il firmware ad hoc sia per il tag e sia per il reader così composto: il reader interroga continuamente la scheda tag, rimane in attesa della risposta da parte del tag e, una volta intercettata, ne calcola il livello di RSSI rilevato (misura di potenza ricevuta) e lo invia sulla porta seriale connessa ad un pc in modo da salvare i risultati del test. Il tag, inizialmente in stato di basso consumo, non appena rileva la presenza di un segnale a radiofrequenza inizia una fase di ascolto dopo di che, invia un pacchetto di dati ad ogni interrogazione da parte del reader. Questa procedura consente quindi, in fase di test, di verificare il corretto funzionamento della comunicazione radio tra i dispositivi e di valutarne l'effettiva distanza di collegamento sia in campo aperto (in aria e senza ostacoli), sia in condizioni reali (posizionato sotto uno strato di neve o ghiaccio). 4. Progettazione e sviluppo del sistema complessivo Definito e testato il funzionamento dei singoli sensori, si è avviata la fase di progettazione per rendere operativa l'intera architettura del sistema. Quindi sono stati sviluppati tutti i moduli che integrano i driver con la business logic fino all'interfaccia utente ad alta livello disponibile all'operatore per usufruire delle funzionalità offerte dal sistema. B4.2.1 Architettura software: Il sistema è basata su tre blocchi principali: Tag: Il tag è il componente hardware/software che tramite sensori legge i dati da rilevare. Console: E' un'applicativo puramente software installato su un notebook che offre un'interfaccia grafica all'utente. 25 Reader: Il reader è il componente hardware/software che si interpone tra la console e il tag, principalmente trasmette i dati ricevuti da seriale dalla console e li invia al tag via radio e viceversa. Figura 15 Architettura software del sistema B4.2.2 Modello software delle schede Il software sviluppato per la scheda è composta principalmente da due livelli principali: 1. drivers 2. business logic B4.2.2.1 Drivers Il driver è quella componente software che pilota a piu basso livello una periferica hardware. Ciò richiede uno studio accurato e minuzioso del device da controllare. In questa fase le difficolta sono diverse, dallo studio a livello di bits dei registri, alle tempistiche per i settaggi di tali registri e la verifica conseguente del comportamento del dispositivo anche con l'uso dell'oscilloscopio. Inoltre i driver fornisco delle API (Application Programming Interface) ai componenti sofware superiori, cioè astraggono le funzionalità fornite dai componenti. Il lavoro descritto è stato fatto per ciascuna periferica presente sulla scheda, che sia SOC (System On Chip) cioè integrata nel microprocessore, o che sia assemblata su PCB. P ERIFERICHE S OC: ü ADC (Analogic-­‐DIgital Converter) ü Real Time Clock ü Flash interna ü Power Management Module ü Timer ü GPIO (General-­‐purpose input/output) che pilota ad esempio il LED ü CC1101 26 PERIFERICHE E SENSORI INTEGRATI SU PCB: ü Flash esterna ü PT1000 ü Accelerometro ü Magnetometro ü Sensore di pressione Il microprocessore comunica e comanda le periferiche esterne attraverso canali di comunicazione seriali standard, questo presesuppone lo studio e l'implementazione di protocolli basati su questi canali di comunicazione. BUS DI COMUNICAZIONE USATI: ü SPI ü I2C ü UART B4.2.2.2 Business Logic La Business Logic è il modulo software applicativo che determina il comportamento del dispositivo, esso ad esempio decide quando devono essere letti i valori dei sensori, come tali dati devono essere memorizzati e gestisce la comunicazione radio ricevendo e/o inviando dei comandi in un determinato protocollo. B4.2.2 Tag La scheda che implementa il tag è corredato di sensori per la lettura della temperatura, della pressione e del posizionamento nelle 3 dimensioni. Inoltre è dotato di un modulo per la comunicazione radio a 315 Mhz. B4.2.2.1 Consumi Il software è stato ingegnerizzato in modo tale da poter allungare la durata di carica della batteria fino a 7 anni. Tale risultato è stato possibile ottimizzando al meglio l'uso del microcontrollore e di tutte le periferiche. Ad esempio il microprocessore CC430F5 è dotato di diverse modalità operative, a ciascuna di tale configurazione corrisponde l'accensione o lo spegnimento di alcuni moduli tra cui lo stato di Low Poewr Mode 3 (LPM3) che ha un consumo estremamente basso. Alcuni sensori implementano una modalità "idle" di basso consumo di corrente mentre altri sensori è stato necessario il loro completo spegnimento. Un importante lavoro è stato dedicato all'ottimizzazione dei consumi del modulo radio. Il tag deve essere raggiungibile e instaurare una comunicazione radio in qualsiasi momento e su richiesta del reader, questo presuporrebbe che il tag stia in ascolto perennemente sulla portante radio, ma ciò non è reso possibile dal consumo elevato del modulo radio anche quando è in sola ricezione. E' stato necessario quindi lo sviluppo della funzionalià Wake-­‐On-­‐Radio (WOR). Con questa funzionalità il modulo radio rimane spento per 16 secondi e si accende per 32 millisecondi, cioè il doppio della durata di un pacchetto di "Discovery" inviato dal reader. B4.2.2.2 Dati memorizzati Il tag è programmato per memorizzare i valori dei sensori ogni 12 ore. Mediante il modulo Real-­‐Time Clock (RTC) il microcontrollore è in grado di svegliarsi dallo stato LPM3 e leggere tutti i sensori disponibili e memorizzarli sulla Flash. I dati sono formattati e compressi in modo tale che il supporto di storage di 2Mbit contenga piu di 7 anni di storico registrando i dati due volte al giorno. Il singolo record è composto da: Ø tipo di record (1 byte) Ø ID progressivo (2 bytes) Ø data compressa (6 bytes) Ø pressione (4 bytes) 27 Ø magnetometro (6 bytes) Ø accelerometro (6 bytes) Ø temperatura (2 bytes) per una lunghezza complessiva di 27 bytes = 216 bit. B4.2.2 Reader Il reader è il dispositivo che principalmente permette la comunicazione tra la console e il tag. Il reader è dotato di una connessione fisica seriale RS232 per mezzo della quale è connesso al notebook che ospita l'applicativo console e del modulo radio per comunicare con i tag. Il reader si occupa di trasformare i messaggi ricevuti dalla console e gestisce la comunicazione radio traducendo i messaggi negli appositi protocolli e la ricerca dei tag tramite un protocollo di Discovery. L'alimentazione, a differenza del tag, avviene direttamente da porta USB del notebook, per cui non è stato necessario implementare la gestione del Low Power Mode. B4.2.3 Console La console è un applicativo sviluppato in C# che offre all'operatore un'interfaccia grafica intuitiva e comoda da usare anche su dispositivi dotati di touchscreen. Permette all'utente di poter effettuare le operazioni di: ü Ricerca dei tag attivi Questa è la prima fase per instaurare la connessione con un tag. I tag all'iinizio sono in modalità Low Power e possono essere risvegliati mediante il maccanismo di Wake-­‐On Radio. Ciò avviene attraverso la procedura chiamata "Discovery". La console configura il reader a trasmeterre costantemente un pacchetto di "Discovery" per un tempo definito. Questo pacchetto è formato da pochi campi: 1. ID del reader 2. Timeout in secondi Il tag appena letto il pacchetto rimane in attesa per tutta la durata del timeout ricevuto, al termine del quale, dopo un altro delay casuale, risponde con un pacchetto di ACK al reader identificandosi . La console al termine di questa procedura elenca tutti i tag attivi pronti a instaurare una connessione mentre i tag rimangono in modalità full runnning per 30 secondi, dopodicché se non è
stata instaurata una connessione si pongono nuovamente nella modalità Low Power. ü Instaurare la comunicazione con un tag Selezionando un tag dall'elenco dei tag attivi visibili dopo la procedura di "Discovery" si instaura la connessione desiderata. Da quel momento l'operatore può eseguire le funzionalità desiderate. Se nessun comando viene richiesto per un tempo maggiore di 30 secondi la connessione viene terminata. ü Download dei dati storici Con questa funzione la console scarica i dati dei sensori memorizzati dal tag giornalmente e vengono salvati su un file .csv visualizzabile con qualsiasi programma dedicato alla gestione dei
fogli di calcolo come ad esempio "Excel". ü Cancellazione memoria Con questo comando tutti i dati storici del tag vengono cancellati, e quindi la memoria è nuovamente completamente disponibile. ü Ping 28 ü
ü
ü
ü
ü
ü
ü
Eseguendo questo comando il reader invia la richiesta al tag di inviargli un pacchetto con il solo scopo di avere una risposta. Il reader al momento della risposta esegue anche il calcolo dell'RSSI relativo al messaggio ricevuto e lo notifica all'operatore visualizzandolo sulla console. Lettura della temperatura attuale Con questa funzione l'operatore può richiedere la lettura istantanea della temperatura del tag. Lettura della pressione attuale Con questa funzione l'operatore può richiedere la lettura istantanea della pressione del tag. Lettura dei valori istantanei forniti dall'accelerometro Con questa funzione l'operatore può richiedere la lettura istantanea del sensore accelerometro. Lettura dei valori istantanei del magnetometro Con questa funzione l'operatore può richiedere la lettura istantanea del sensore magnetometro. Determinazione dell'inclinazione e dell'orientamento rispetto al nord geografico Disponendo dei dati dell'accelerometro triassiale e del magnetometro anch'esso triassiale, la console è in grado di ricavare sia l'inclinazione della capsula sia il suo orientamento. Impostazione della data e dell'ora Mediante questo comando vengono aggiornate l'ora e la data del tag. Memorizzare i log della sessione E' la funzionalità in background con cui viene memorizzata la sessione aperta. Figura 16 Interfaccia grafica principale della console 29 B4.3 Progettazione nuovo layout PCB – versione 2 Il flusso di lavoro fin qui descritto ci ha portati a progettare e realizzare una scheda elettronica in ogni suo componente hardware e software. Il prototipo è stato poi testato in varie sue parti come descritto nel capitolo B5; la complessità del progetto e il layout appositamente concepito hanno evidenziato alcuni punti migliorabili che ci hanno spinti ad ottimizzare la scheda e realizzare una seconda versione del PCB. Una criticità ha riguardato l’adattamento dell’antenna alla scheda: i dati di impedenza riportati in datasheet per l’antenna elicoidale non rispondevano a quanto poi effettivamente misurato in laboratorio. In altre parole, non tutta la potenza trasmessa dal microprocessore veniva irradiata dall’antenna, limitando, di fatto, il raggio di copertura del segnale, la distanza massima raggiungibile (per riflessione della potenza all’interfaccia PCB-­‐Antenna). Un esempio di come le piste elettriche del PCB siano parte attiva del circuito è riportato nella foto che segue: la linea indicata dalla freccia gialla si comporta, a 315 MHz, come una linea di trasmissione del segnale con impedenza caratteristica di circa 50 Ohm; la freccia verde evidenzia le piazzole per l’adattamento dell’antenna tramite componenti SMD. Figura 17 Tag versione 2.1 -­‐ la freccia gialla indica la linea di trasmissione, la verde la rete di adattamento dell’impedenza antenna Inoltre, il piano di massa (utile al corretto funzionamento di tutta la scheda) e le connessioni ad esso dei componenti montati sulla scheda devono rispettare sia le “buone prassi” di progettazione sia le precise indicazioni dei costruttori del componente stesso. Questo è il caso del magnetometro per la rilevazione del campo magnetico terrestre e l’indicazione del suo nord. Brevemente, il dispositivo necessita di un’area sottostante libera dal piano di massa e di una zona immediatamente circostante priva di dispositivi che contengono materiali ferrosi e priva di piste di rame conduttivo. Le analisi e i test effettuati sulla prima versione del prototipo della scheda PCB e riportati in dettaglio nella sezione B5 “Caratterizzazione del sistema” hanno evidenziato alcune criticità, che sono state analizzate e corrette, realizzando una nuova versione del progetto con l’inserimento di alcune piccole modiche 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 30 l'utilizzo degli amplificatori di potenza (già montati sulla prima versione di 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; • 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 al fine di limitare il consumo elettrico della batteria); • modifica del layout della scheda PCB per ospitare i componenti elettronici relativi all’adattamento dell’impedenza d’antenna e per il miglioramento generale dell’efficienza radiante. Il progetto della nuova versione del PCB è stato consegnato ai rispettivi fornitori per la produzione dei prototipi industriali, assemblati e verificati nelle loro funzionalità. Le verifiche hanno dato esito positivo e pertanto si è adottata questa soluzione per le installazioni su ghiacciaio. Nelle immagini che seguono è possibile confrontare le due versioni di PCB utilizzate per le due versioni di tag. Il circuito stampato più lungo è quello relativo alla versione 2, che è anche la versione definitiva del dispositivo RFID. Figura 18 Le due versioni a confronto (fronte) Figura 19 Le due versioni a confronto (lato) B4.4 Riassunto delle schede prodotte La realizzazione di piccole serie di prototipi ha evidenziato diverse criticità soprattutto per quanto riguarda la qualità e l’affidabilità medesimi. Nel complesso sono state rilasciate quattro partite di schede PCB di cui una della prima release e tre della seconda. Ad ogni rilascio è stato necessario: -­‐ visionare le schede per identificare eventuali macro difetti di produzione o assemblaggio; -­‐ programmarle con il firmware di test per provare tutti i componenti ed i sensori; -­‐ caratterizzare il sensore di pressione; -­‐ programmare i tag con il firmware di progetto; -­‐ eseguire un periodo di test per verificare il funzionamento. I rilasci delle schede sono avvenuti secondo le seguenti tempistiche: 31 -­‐
-­‐
-­‐
-­‐
-­‐
luglio 2013 prima serie di 10 schede della prima versione di progetto; febbraio 2014 prima serie di schede a 315 MHz della seconda versione; febbraio 2014 prima serie di schede a 169 MHz; maggio 2014 seconda serie di schede a 315 MHz, seconda versione; giugno 2014 terza serie di schede a 315 MHz, seconda versione; La terza serie di schede a 315 MHz è stato necessario in quanto i PCB consegnati a maggio 2014 hanno presentato difetti costruttivi rilevanti. Il substrato si presentava imbarcato e non garantiva l’allineamento degli strati interni e le schede presentavano un comportamento aleatorio (la partita è stata interamente scartata). B4.5 Strategie e metodologie di localizzazione del tag RFID Il principio della localizzazione sta alla base della metodologia di ricerca che si è voluto adottare per individuare a distanza e con precisione i tag sepolti in neve e ghiaccio sfruttando la tecnologia RFID. Più precisamente il reader invia un segnale radio al tag, che a sua volta risponde con un segnale analogo la cui intensità (RSSI) è misurata e sulla base del valore ricavato si deduce la distanza esistente tra i due dispositivi. Come prassi del progetto MALATRA’, al termine dell’installazione di un tag in ambiente glacializzato, gli operatori rilevano la posizione GPS del punto di scavo. Esso rappresenta la posizione iniziale del tag installato ad una profondità nota, poiché direttamente misurata. Con il passare del tempo, mesi o anni, il tag, solidale con il ghiaccio, potrebbe muoversi dal punto originale e seguire i movimenti della massa glacializzata, ritrovandosi in un punto diverso da quello d’installazione ma comunque non troppo distante da esso, poiché si ritiene, presumibilmente, che lo spostamento del ghiacciaio o della massa nevosa sia “lenta” rispetto al tempo considerato. A questo punto non è più possibile rilevare la posizione del tag utilizzando solo la tecnologia GPS, sia perché l’operatore non ha modo di posizionarsi sulla verticale passante per il dispositivo sepolto, sia perché, nel caso di un eventuale GPS montato a bordo del tag, questo non riceverebbe alcun segnale satellitare (lo strato di neve e ghiaccio riflette e attenua il segnale). Pertanto, l’intento del sistema MALATRA è sfruttare la comunicazione in radiofrequenza non solo per la comunicazione vera e propria tag-­‐reader (per la lettura dei dati raccolti) ma anche per determinare la posizione (in pianta e in profondità) del tag. Se ci si trova all’interno del raggio di copertura del segnale radio, il tag risponde alle richieste inviate dal reader, altrimenti è necessario ricercare l’area di copertura muovendosi sulla superficie. La ricerca dell’area di copertura del tag può essere dall’impiego di un antenna direzionale in grado di concentrare la sua “sensibilità” solo in una porzione di spazio davanti a sé. A titolo di esempio, è possibile utilizzare un’antenna Yagi dimensionata per il funzionamento a 315 MHz, frequenza di lavoro del dispositivo. Nella foto che segue si riporta un esemplare di antenna, progettata per questo scopo e interamente costruita durante le attività di progetto. 32 Figura 20. Antenna direttiva modello Yagi 5 elementi, interamente costruita nel corso del progetto Una volta stabilito il collegamento radio con il tag è possibile trasferire i dati in esso memorizzati. Il passo successivo è identificare la posizione in pianta del tag e quindi stimarne la profondità. In linea teorica, queste due informazioni (posizione in pianta e profondità) possono essere dedotte dalla misura di intensità di campo elettromagnetico ricevuto dal reader (misure di RSSI), che, come è noto, presenta, teoricamente e idealmente, la caratteristica di proporzionalità e di monotonicità rispetto alla distanza punto-­‐punto tra tag e reader. Nella pratica, anche a seguito delle prove condotte, ci si rende conto della complessità di un simile rilevo alla frequenza operativa di 315 MHz. I contributi dovuti al segnale riflesso dal terreno sono rilevanti e fanno sì che gli effetti di fading interferiscano con le misure. Pertanto si è studiato, compatibilmente con i mezzi a disposizione, il fenomeno reale di propagazione del segnale radio emesso dai dispositivi realizzati in questo progetto e installati in ambienti di reale operatività. A fronte delle considerazioni di carattere teorico, ampiamente descritte in qualunque bibliografia sull’argomento, si è voluto sperimentare le difficoltà che emergono quando si trattano segnali in radiofrequenza in situazioni non ideali. Dallo studio del fenomeno reale e degli strumenti necessari per i test in campo (sezione B5.4 “Caratterizzazione del sistema d’antenna”, paragrafo “diagramma d’antenna”) si è passati all’individuazione di alcune strategie che indentificassero un metodo di rilevazione “immune” ai vincoli riscontrati. Le descrizioni delle metodologie adottate, unitamente ai risultati ottenuti e ai limiti riscontrati, sono esposte nel seguito di questa relazione. B4.5.1 Descrizione 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, in superficie, dei parametri elettromagnetici. La caratterizzazione precisa e puntuale del canale di comunicazione (ammesso che si possa sempre realizzare) è di fondamentale importanza per conoscere l’ubicazione esatta del tag sepolto nel ghiaccio, 33 infatti, determinando con buona precisione le variabili che caratterizzano il canale, si potrebbe, in linea di principio, calcolare la potenza ricevuta e quella trasmessa e da esse risalire alla distanza che separa la fonte emittente del segnale (il reader) dal tag. Pertanto nelle sezioni che seguono vengono presentati gli studi intrapresi in sede di approfondimento del fenomeno e le misure effettuate sul campo allo scopo di poter meglio comprendere le caratteristiche del canale di comunicazione presente tra il tag e il reader in ambiente glacializzato. Utilizzando l’equazione di Friis [24] della trasmissione e in analogia con essa, il canale di comunicazione può essere matematicamente cosi descritto: Pr = PtŊ FSPLŊ(1− ∣ Γ AS∣ 2)Ŋ (1− ∣ NaSnow∣2 )Ŋ (1− ∣Γ SI ∣2)Ŋ(1− ∣ N Ice∣2 )Ŋ (1− ∣Γ IC∣ 2)Ŋ (1− ∣Γ CA∣2 )
con Free Space Path Loss ( FSLP)= Gt (θt , ϕt ) G r (θr , ϕr )(1− ∣Γ t∣ )Ŋ (1− ∣Γ r∣ )
2
2) •
(1 – |Γ | = coefficienti di trasmissione •
AS interfaccia Air/Snow •
N = coefficiente di attenuazione “dielettrica” •
SI interfaccia Snow/Ice •
IC interfaccia Ice/Capsule •
CA interfaccia Capsule/Air •
Pr potenza ricevuta •
Pt potenza trasmessa 2
λ 2Ŋ∣ ρ⃗ Ŋ ρ⃗ ∣2
t
r
4πd
(
)
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 [14], sia per la neve sia per il ghiaccio, secondo la formula seguente: 1000(log e)
N=
σ
cε0Ŋ √ε
con • ε0 costante dielettrica del vuoto •
ε costante dielettrica della neve o del ghiaccio •
σ conducibilità elettrica della neve o del ghiaccio È pertanto necessario valutare localmente la permittività dielettrica del ghiaccio e della neve. In alternativa è ipotizzabile l’utilizzo di tabelle che mettano in relazione la densità della neve con la permittività dielettrica [25]. Una breve indagine su quanto appena esposto è riportata nel paragrafo successivo. La ricerca effettuata sulla bibliografia scientifica a disposizione non ha consentito di trovare alcun riferimento a studi già intrapresi per determinare le caratteristiche elettromagnetiche del manto nevoso alle latitudini di interesse al progetto. Infatti se esistono informazioni sulle proprietà fisiche ed elettriche del ghiaccio artico, i risultati ivi ricavati non possono essere trasposti al ghiaccio ed alla neve presenti sugli apparati glaciali delle Alpi, avendo questi una struttura e una composizione chimica differente. 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 [25] [16]. Tale conoscenza permetterebbe di individuare il possibile legame tra questo parametro e le attenuazioni 34 che il segnale radio incontra nel suo tragitto dal punto emittente (reader) al punto ricevente (tag) sepolto nel ghiacciaio. 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. Allora è conoscendo il valore della densità della neve che sarebbe possibile stimare la sua costante dielettrica [25] 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 potrebbero poi stimare le attenuazioni all'interno dello strato di neve considerato attraverso le formule indicate in Matsuoka, MacGregor e Pattyn [14]. Sarebbe dunque di grande interesse intraprendere uno studio appositamente rivolto ad indagare le proprietà fisiche ed elettriche della neve e del ghiaccio delle Alpi, con esperimenti di misura di conducibilità elettrica abbinati alla determinazione della densità dello strato nevoso mediante lo scavo di trincee, per una prima caratterizzazione del canale di comunicazione delle onde elettromagnetiche attraverso tali materiali. Formule per il calcolo della distanza in condizioni di “Spazio Libero” A prescindere dalla caratterizzazione del canale di comunicazione neve-­‐ghiaccio, è assolutamente indispensabile conoscere nel dettaglio le caratteristiche di trasmissione dell’antenna in condizioni di “spazio libero”, ossia in assenza di ostacoli che si frappongano tra la sorgente emittente e quella ricevente. La potenza ricevuta nello spazio libero e nella zona di campo lontano dell'antenna trasmittente, ovvero ad una distanza dal trasmettitore superiore a 2D2/𝛌, dove D è la più grande dimensione di ciascuna delle due antenne (per il calcolo di D si faccia riferimento a [28]), è data dalla equazione della trasmissione di Friis [24]: 2
Pr
2
2
2
= e cdt e cdr D t (θt , ϕt ) D r (θr ,ϕr )(1− ∣Γ t∣ )Ŋ (1− ∣Γ r∣ ) λ Ŋ∣ ρ⃗ tŊ 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; •
𝛌 è la lunghezza d'onda; •
d è la distanza tra le due antenne; •
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; •
∣ ⃗ρ Ŋ ⃗ρ ∣2
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 [29] il suddetto prodotto è esattamente il guadagno dell'antenna nella direzione theta e phi. Il 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∣ )Ŋ (1− ∣Γ r∣ ) λ Ŋ∣ρ⃗ tŊ 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∣ )Ŋ (1− ∣Γ r∣ ) λ
Pt
4πd
(
con G0 il massimo guadagno dell'antenna. Trasformando in dBm si ottiene: 2
)
35 ( )
P r − P t = G 0t + G 0r + 10log [(1− ∣Γ t∣2)Ŋ (1− ∣Γ r∣ 2) ]+ 20log λ − 20log d
4π
dBm
dBm
dBi
dBi
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 r − P t = 2Ŋ G 0+ 2Ŋ 10log (1− ∣Γ ∣2)+ 20log λ − 20log d
4π
dBm
dBm
dB
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. Esempio 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); Coefficiente 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 (quella stimata a partire dai valori dichiarati dal costruttore), 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. Riscrivendo la formula con i dati fin qui calcolati si ottiene: 20log d = − P r + P t + 2Ŋ G − 26.69
dBm
dBm
dB
Il Guadagno Si può misurare il guadagno G0 attraverso una caratterizzazione completa dell'antenna in camera anecoica o desumerlo dalle misure effettuate dal produttore [30] del microcontrollore (che ha utilizzato un'antenna equivalente, ref: Evaluation PCB #16 in [30]), 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 [30] [31], 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). 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 che l'antenna presenta nelle due condizioni è rappresentata dalla vicinanza dell'uomo e di oggetti in prossimità della stessa. 36 Figura 21 Apparati elettronici utilizzati nel test del produttore del microcontrollore con modulo radio integrato. Immagini tratte da [30] 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 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 37 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. B4.5.2 Strategie per il posizionamento del tag Per localizzare il tag e determinarne lo spostamento nel tempo e la profondità alla quale è collocato è necessario ricorrere all’impiego di algoritmi di localizzazione basati sui dati in possesso del reader. Dallo studio del diagramma di irradiazione dell’antenna e delle caratteristiche del canale di comunicazione sono emerse le varie componenti che influenzano la misura diretta del RSSI quale parametro unico per definire la distanza dal reader, e quindi le incertezze della misura basata solo sull’intensità di campo rilevato in superficie da un operatore. La rilevazione diretta del RSSI è influenzata sia dalla direzione di rilevazione rispetto al tag (diagramma di irradiazione e posizione assoluta del tag nello spazio) sia dal luogo di installazione (distanza dal terreno sottostante, di massicci rocciosi nelle immediate vicinanze, stato elettrico della neve e del ghiaccio nel punto di installazione) che unitamente alle condizioni di misura in superficie (“disturbi” introdotti dalla presenza di operatori e delle loro attrezzature), determinano le riflessioni elettromagnetiche e percorsi multipli del segnale ricevuto, falsando la lettura. Tutti questi elementi sono quindi dei parametri variabili della lettura, non sempre noti a priori. Pertanto, ogni installazione “genera” un diverso diagramma di irradiazione equivalente del dispositivo, che non consente di generalizzare né il metodo, né gli algoritmi per la misura di posizionamento del tag. La generalizzazione del metodo di misura e degli algoritmi sono invece importantissime per l’implementazione del software da caricare sul dispositivo. Quindi si è deciso di adottare altre strategie che non richiedessero la conoscenza puntuale e precisa dei parametri elettrici e fisici riguardanti il luogo di installazione. Dopo un approfondimento bibliografico [32] [33] [34] [35] [36] [37] per individuare lo stato dell’arte in materia di localizzazione di dispositivi radio, tenuto conto delle tempistiche e delle risorse del progetto, sono state individuate due metodologie di rilevazione. Le due metodologie sono state quindi implementate attraverso la realizzazione di prototipi software e hardware, quindi verificate in campo con campagne di test e misure. Nei paragrafi successivi si riporta il dettaglio di quanto sopra sinteticamente esposto. 38 B4.5.2.a Localizzazione attraverso la misura della differenza di fase L’idea è quella di utilizzare la direzione di arrivo del segnale radio proveniente dal tag per localizzare il dispositivo mediante risoluzione approssimata di un problema geometrico (descritto nel paragrafo successivo). E’ possibile misurare la differenza di fase che due antenne identiche, montate ad una distanza nota e non più grande di mezza lunghezza d’onda (0.5 metri circa nel nostro lavoro), possono rilevare sul segnale ricevuto da un’unica sorgente. Infatti, i due segnali, partendo dallo stesso punto ma percorrendo due cammini di lunghezza diversa giungono al ricevitore sfasati. La misura di questo sfasamento può ricondurre alla soluzione del problema geometrico, descritto sotto, e quindi alla soluzione ricercata. La differenza di fase rispetto al tempo di percorrenza è la quantità che possiamo apprezzare con i mezzi a disposizione. Il secondo invece, il tempo di percorrenza, è troppo piccolo, considerata la frequenza di lavoro e le distanze in gioco. Rimane da sottolineare sin d’ora che il modello geometrico delineato non tiene conto delle riflessioni elettromagnetiche del segnale introdotte dall’ambiente circostante che, introducendo dei percorsi multipli, ne influenza la differenza di fase. Il modello piuttosto fa affidamento sulle caratteristiche del territorio glacializzato (distanza significativa dal terreno roccioso riflettente, presenza di ampie regioni di spazio libero in superficie, distanza relativamente breve tra tag e reader) per considerare attenuati i suoi effetti “distorcenti” sulla fase del segnale. In tutto questo comunque non si può escludere l’effetto “distorcente” del reale cammino introdotto dalla rifrazione dell’onda elettromagnetica alle interfacce ghiaccio-­‐neve e neve-­‐aria. In definitiva il presente lavoro deve essere inteso come esperimento per conoscere e approfondire le dinamiche fisiche sopra esposte con l’intento di poter contribuire alla tematica ancora attuale della localizzazione “outdoor” di dispositivi RFID. Descrizione del metodo di misura Attraverso la rilevazione della differenza di fase, si vuole calcolare è l’Angolo di Arrivo dell’onda elettromagnetica. L’angolo di arrivo (AoA – Angle of Arrival) è l’angolo compreso tra la linea che congiunge il reader e il tag sepolto e la verticale passante per il tag (ipotizzando il tag sepolto in neve-­‐ghiaccio). Facendo riferimento alla figura sottostante, e con alcune approssimazioni geometriche che identificano la distanza Δd come la proiezione della distanza S tra le due antenne riceventi sulla linea nera, piuttosto che come differenza tra la lunghezza della linea nera “meno” la rossa (grandezze non note), l’angolo di arrivo è β = 90 – α, con α quantità calcolata a seguito della misura della differenza di fase Δφ. 39 Sistema Antenne
S Distanza nota in superficie
α
Angolo di arrivo β = 90-­‐α
Δd
TAG
β
Figura 22 Schema geometrico utilizzato per il rilevatore di differenza di fase. Dal punto di vista matematico, il calcolo d’angolo alfa si ottiene dal valore misurato della differenza di fase Δφ seguendo le relazioni di uguaglianza riportate: Δd = Δt x c Cos α = Δd / S Essendo: S distanza tra le antenne (valore noto di progetto); α angolo tra ipotenusa S e cateto Δd. Per misurare la differenza di fase si è verificato la fattibilità utilizzando componenti elettronici discreti e strumentazione da laboratorio per poi realizzare un prototipo ad hoc. La descrizione delle attività è riportata nei paragrafi seguenti. Verifica sperimentale di fattibilità Primo ambiente di misura: componenti discreti e oscilloscopio Per misurare la differenza di fase è stato dapprima approntato un esperimento che ci permettesse di visualizzare all’oscilloscopio i due segnali sfasati. Il circuito che ne rappresenta i blocchi logici funzionali è il seguente: 40 Generatore
CW 315 MHz
Splitter
RF1 IN
LO (-­‐3 dBm) RF2 IN
IF2
OUT
Filtro
Passa
Bass
o
IF1
OUT
Filtro Passa Basso Oscilloscopio
Il segnale a 315 MHz proveniente dal generatore è diviso in due dal componete passivo “splitter”. Questo dispositivo è stato selezionato affinché minimizzasse la differenza di fase tra i due canali di uscita. Ciascun canale di uscita è fatto poi “battere” con il segnale RF proveniente da un tag. La differenza di frequenza di due tag diversi è al massimo pari a 400 Hz, come indicato sui documenti del produttore del modulo radio contenuto nel microcontrollore. I mixer utilizzati sono stati selezionati per operare alla frequenza di lavoro (e fino a 500 MHz) con livelli di potenza in ingresso al connettore LO (Local Oscillator) di -­‐3 dBm. I due segnali in bassa frequenza (IF1 e IF2) così ottenuti, vengono filtrati da un passa-­‐basso in modo da eliminare la componente ad alta frequenza pari alla somma delle due frequenze in ingresso (ovvero 630 MHz, circa). L’uscita dei filtri passa-­‐basso è inviata all’oscilloscopio per poterne visualizzare la forma d’onda. Da notare come tutti i cavi di collegamento debbano essere uguali (sia in lunghezza che come dielettrico utilizzato per la loro costruzione), affinché si possa attuare la simmetria necessaria per l’ottenimento dello sfasamento nullo (tutti i percorsi uguali). I segnali visibili all’oscilloscopio sono riportati nelle foto che seguono: 41 Figura 23 Segnali in bassa frequenza e in fase. Figura 24 Segnali in bassa frequenza e visibilmente sfasati. Dal punto di vista matematico, all’uscita dei mixer si ottengono due segnali con frequenza “f” pari rispettivamente alla differenza e alla somma delle due frequenze in ingresso. Poiché le due frequenze sono uguali (a meno della diversità fisiologica dovuta ai due dispositivi distinti), il valore che essa dovrebbe assumere è pari rispettivamente a 0 (f1-­‐f2) e 630 MHz (f1+f2). Dopo il filtro passa-­‐basso si dovrebbe ottenere solo il segnale con frequenza nulla. 42 I due segnali osservati non sono costanti ma presentano una frequenza “residua” di circa 1,5 kHz, pari al doppio della frequenza di scarto tra gli oscillatori delle due diverse realizzazioni del tag. E’ però evidente la differenza di fase, quando uno dei due percorsi viene modificato. Secondo ambiente di misura: ricevitore software radio Per rendere l’esperimento “portatile” e poterlo svolgere anche al di fuori del laboratorio di misure, sono state apportate alcune modifiche all’impianto originale che prevedono la sostituzione del generatore di segnale con un tag il cui firmware è stato modificato perché trasmettesse un segnale continuo (CW -­‐ Continuous Wave) non modulato e alla frequenza di lavoro di 315 MHz. Il tag era equipaggiato con connettore d’antenna SMA, in modo da poter collegare il cavo coassiale. Nella foto che segue è possibile vedere una realizzazione dell’esperimento da portare in campo libero per effettuare i test. Tag
Mixe
r
Splitter
Amplificatore
Filtro
Asse di simmetria
L’amplificatore indicato in foto si è reso necessario quando al posto dei cavi si sono inserite le antenne per la ricezione del segnale RF da inviare al mixer. La realizzazione con le antenne è riportata nella seguente fotografia: 43 Figura25. Il pannello di test per la rilevazione all'aperto della differenza di fase Le antenne sono state posizionate in modo simmetrico e le distanze dall’amplificatore sono identiche. Nei test in campo libero il dispositivo tag trasmittente, che simula il ruolo svolto dal tag sepolto in ambiente glacializzato, veniva posto prima di fronte al pannello perpendicolarmente e poi spostato lateralmente. Nella prima posizione le distanze sono simmetriche e i cammini dell’onda sono identici (o quasi) nella seconda posizione uno dei cammini è più lungo, generando così una differenza di fase. Figura 26 Test in campo libero per il rilevamento della differenza di fase. 44 Durante questo esperimento i dati sono stati acquisiti con una unità USRP™ (Universal Software Radio Peripheral), sviluppata dalla Ettus Research, che consente di campionare ed elaborare digitalmente i segnali ricevuti. Questi segnali digitali sono stati poi elaborati e visualizzati al computer con l’ausilio del software di calcolo Octave (simile a Matlab® ma open source), per il quale sono stati scritti, da parte dei tecnici di EST, i relativi file di “script” per l’elaborazione e la visualizzazione dei dati raccolti. Figura 27 Il dispositivo USRP utilizzato per il campionamento dei segnali. Di seguito sono riportati i risultati ottenuti, quando ci si pone a 3 e 4 metri di stanza dalle antenne riceventi, la distanza tra le due antenne è pari a 36 cm e ci si sposta lateralmente rispetto all’asse di simmetria del sistema: Distanza dal Spostamento Angolo misurato Angolo reale RMSE ricevitore[m] dall’asse di simmetria [m] [gradi°] [gradi°] [gradi°] 3 0 13,7 0 3 0,5 8,56 6,1 3 1 5,86 15,2 3 1,5 1,71 23,7 3 2 14,55 31,2 3 2,5 9,38 37,7 3 3 3,9 43,2 22 4 0 10,81 0 4 1 9,3 11,6 4 2 24,5 21,5 4 3 21,5 35,2 8,9 45 Alla distanza di 3 metri dal ricevitore si ha un errore quadratico medio (RMSE) di 22°, mentre alla distanza di 4 metri questo errore risulta ridursi e si ha un RMSE di 9°. I risultati di questi test sono stati fortemente affetti dalle riflessioni dal terreno che si sono attenuati allontanandosi dal ricevitore dalla distanza di 3 metri alla distanza di 4 metri, mentre a distanze superiori il segnale è risultato troppo attenuato per poter essere elaborato. Dal punto di vista tecnico è possibile migliorare le prestazioni del sistema con antenne maggiormente direttive che garantirebbero un guadagno maggiore nella direzione di osservazione, attenuando altresì le riflessioni. Dato il basso grado di portabilità del sistema non è stato possibile ripetere l’esperimento in ambiente glaciale, dove si ipotizza che i risultati sarebbero stati migliori. Le rappresentazioni grafiche dei dati acquisiti sono riportate nelle figure che seguono. La prima è sempre riferita alla posizione frontale del tag rispetto al pannello di test, l’altra alla posizione laterale del tag ad una distanza di 50 cm dalla verticale. Nel dominio del tempo è possibile notare la differenza di fase del segnale quando il tag è posto 3 metri di distanza ed a 50 cm dal baricentro. I segnali sono leggermente sfasati. Anche l’intensità del segnale del percorso più lungo risulta essere attenuata dal maggiore cammino che compie l’onda elettromagnetica. Nel caso frontale ci si aspettava una perfetta sovrapposizione dei due segnali ed una pari ampiezza; ma il contributo delle riflessioni è risultato comunque uno sfasamento tra i due segnali Nel dominio della frequenza invece, come mostrano le figure sottostanti, si rilevano le due basse frequenze all’uscita del mixer: la frequenza “somma” e la frequenza “differenza”. Essendo le due frequenze RF quasi uguali si ottengono, nella pratica, i valori di zero e di 1,3 kHz. Volendo infine rappresentare i dati campionati con un assegnandoli rispettivamente agli assi X-­‐Y si ottengono delle rappresentazioni grafiche della presenza o meno di una differenza di fase tra i due segnali. 46 Infatti quando i due segnali sono in fase si ottiene una nuvola di punti concentrata sulla bisettrice di quadrante. Quando sono sfasati, la nuvola di punti assume forma ellittica o circolare, nel caso particolare di opposizione di fase tra i due segnali (differenza pari a 180 gradi). Progettazione, ingegnerizzazione e Realizzazione dei Prototipi Parallelamente al lavoro appena descritto, è stato progettato e realizzato un prototipo hardware completo che svolgesse le stesse funzioni indagate e provate negli ambienti di test sopra riportati. Il dispositivo realizzato consente di misurare la differenza di fase e di ampiezza tra due segnali RF in ingresso e ne restituisce un valore numerico in volt DC nell’intervallo tra 0 e 1,8 V. Attraverso alcune semplici relazioni matematiche, documentate nel datasheet del produttore del microchip utilizzato, è possibile poi risalire al valore di fase, o di ampiezza, assoluti. Il nostro interesse si è concentrato prevalentemente sulla differenza di fase tra i due segnali in ingresso, che rappresenta proprio la grandezza che si vuole conoscere. Il progetto dell’hardware realizzato ruota attorno al chip AD8302 della Analog Devices. Figura 28 Il chip AD8302, che misura la differenza di fase. Senza entrare nei dettagli tecnici elettronici (per i quali si rimanda al sito internet del produttore) Il lavoro svolto per la progettazione ha interessato principalmente le parti riguardanti il condizionamento del segnale RF in ingresso, in quanto il microchip è in grado di lavorare fino alla frequenza di 2.1 GHz. Essendo l’ambiente circostante, anche quello glacializzato ormai, saturo di segnali in radiofrequenza, (televisione UHF e satellitare, telefonia mobile, etc.) si è reso necessario individuare e utilizzare un filtro passa banda che premettesse di al microchip di lavorare solo il segnale RF del dispositivo tag a 315 MHz. Allo scopo, si è identificato e utilizzato un filtro SAW – Surface Acustic Wave che grazie alle sue caratteristiche di funzionamento (trasformazione, all’interno della sua piccola camera di risonanza, di un segnale elettrico in uno acustico e poi di nuovo elettrico) consente ai progettisti di poter disporre di un filtro a banda molto stretta (600 kHz) e ben marcata (attenuazione fuori banda minore di 30/40 dB). 47 Figura 29 Il SAW FIlter a 315 MHz della EPCOS. Infatti il primo prototipo, costruito in laboratorio con lo scopo di conoscere bene il funzionamento del chip di misura, ha dimostrato la sua efficacia eseguendo le prove in forma cablata(connessioni dirette tra generatori di segnali e ricevitore), mentre utilizzando segnali radio e le antenne il contributo degli interferenti risulta dominante. Le prove con il prototipo, infatti, sono state condotte sia con un generatore di segnale a 315 MHz collegato mediante cavi coassiali ai connettori d’ingresso, sia con le antenne. Figura 30 Il primo prototipo di laboratorio per la misura della differenza di fase. Il dispositivo è stato quindi ingegnerizzato curando tutte le problematiche riscontrate durante le fasi di test in laboratorio anche attraverso le indicazioni fornite dai produttori e, molto più importante, dai ricercatori di EST. Figura 31 Schema elettrico del misuratore di differenza di fase. È stato quindi disegnato lo schema elettrico e realizzato il PCB corrispondente. Figura 32 Ingegnerizzazione del PCB. 48 La scheda elettronica è stampata e i componenti sono stati saldati manualmente.Il dispositivo hardware finale è riportato nella seguente immagine. Figura 33 Il dispositivo di misura di fase . Conclusioni La localizzazione di un dispositivo mediante l’identificazione dell’angolo di arrivo del segnale è una tecnica che, compatibilmente con il tempo a disposizione, ha dato i suoi primi risultati e dimostrato la fattibilità. Si intende proseguire con lo studio delle problematiche riscontrate al fine di migliorarne la precisione. B4.4.4 Localizzazione attraverso il GPS analisi statistica della potenza ricevuta (RSSI) L’analisi statistica della potenza ricevuta (RSSI) La stima delle distanze basata sulla misura della potenza ricevuta(RSSI), come altri metodi di localizzazione basati sulle caratteristiche radioelettriche di un segnale radio, non è robusto in condizioni di propagazione continuamente mutevoli. Alla presenza di cammini multipli dei percorsi di propagazione, l’indice RSSI non è monotono sull’intervallo considerato e genera delle ambiguità [32]. Allo stesso modo il diagramma d’antenna tipico del dispositivo è un altro fattore che introduce errori nella misura, rendendo problematica la localizzazione tramite rilevazione del RSSI. Perciò è necessario trovare un metodo per neutralizzare o compensare questi effetti mutevoli in modo da ottenere una corrispondenza biunivoca tra il valore di campo misurato e la distanza dal dispositivo trasmittente. Si è costruito pertanto un sistema di localizzazione a basso costo e real-­‐time in grado di tracciare e localizzare il segnale del tag RFID, prendendo spunto dal lavoro condotto da Saurav Subedi e altri dell’Università di Villanova in Pennsylvania. Nell’ articolo dal titolo “RSSI-­‐Based RFID reader localization through multilateration” [32], Subedi ha analizzato il caso in cui si desidera trovare la posizione esatta di un “Reader” che si muova al di sopra una griglia di “TAG” la cui posizione è evidentemente nota con precisione. Per far funzionale l’algoritmo di calcolo esposto nell’articolo è necessario quindi conoscere la posizione nello spazio dei dispositivi che rilevano il segnale RSSI (per i dettagli si rimanda a [32]). Analogamente a quanto esposto nell’articolo, per il nostro esperimento si è mantenuto l’algoritmo di calcolo ma si sono invertiti i ruoli del “TAG” e del “Reader” predisponendo l’ambiente di test con un solo tag e un solo reader il quale però rileva tante volte il segnale RSSI e a diverse distanze dal tag(ipotizzando la potenza trasmessa costante). 49 Figura 34 -­‐ Schema tipico di una sistemazione Reader-­‐TAGs RFID nell’articolo di Subedi e altri [32]. Il metodo ben si adatta all’ambiente glaciale dove normalmente si vuole trovare la posizione di un solo tag (anche se i TAG sono tanti, il procedimento si applica uno alla volta) potendo però effettuare tante letture di RSSI in superficie muovendosi con il reader nello spazio. Al fine di non imporre percorsi obbligati all’operatore e permettere una facile localizzazione dei punti di misura si è deciso di utilizzare il sistema di coordinate GPS che così attrezzato può rilevare il RSSI in qualunque punto. Svincolato da ogni struttura geometrica egli quindi, passeggiando sulla superficie, rileva una nuvola di punti, ciascuno dei quali porta con sé l’informazione sulla posizione GPS e sul RSSI. La correzione differenziale in tempo reale (Correzione RTK) della posizione GPS La posizione fornita da un GPS portatile è notoriamente poco precisa per gli scopi del presente lavoro; con il solo GPS è possibile raggiungere al massimo la precisione di qualche metro. Pertanto si è reso necessario correggere questa posizione con tecniche differenziali real-­‐time o di post-­‐processing (nel caso in cui la rete cellulare non fosse presente). Per calcolare in real-­‐time la posizione esatta dei punti di lettura del RSSI è stato utilizzato il sistema RTK Real Time Kinematic che prevede di collegarsi al server di una rete di stazioni GNSS in grado di fornire correzioni differenziali in tempo reale (tipicamente attraverso connessione radio GPRS) permettendo di correggere la posizione fino ad errori al di sotto del centimetro. Nello specifico ci siamo appoggiati alla rete GNSS della Regione Autonoma Valle d’Aosta inaugurata ufficialmente lo scorso 9 maggio 2014 ed in grado di fornire il servizio RTK gratuitamente su tutto il territorio regionale. Integrazione dell’algoritmo e del relativo software nella console del sistema RFID Il sistema realizzato per la localizzazione a basso costo e real-­‐time in grado di tracciare e localizzare il segnale proveniente dal tag RFID si compone principalmente di due blocchi funzionali: il sistema di rilevazione e il software di calcolo dell’esatta posizione: •
il sistema di rilevazione legge e memorizza il valore di RSSI unitamente alla coordinata GPS corretta con tecnica RTK; esso si compone del reader RFID sviluppato e di un ricevitore GPS in grado di collegarsi via GPRS alla rete locale GNSS e equipaggiato con l’elettronica necessaria per la correzione in tempo reale della posizione; 50 il software di calcolo, sviluppato all’interno della console di controllo e visualizzazione delle informazioni rilevate dai tag RFID, implementa l’algoritmo di analisi statistica dei dati e ne conserva una copia in formato KLM. I dati processati sono poi salvati in formato KLM -­‐ Keyhole Markup Language -­‐ e sono visibili sulla piattaforma Google Earth. •
Per il test di funzionamento e le misure è stata utilizzata la rete GNSS regionale, messa a disposizione gratuitamente dalla Regione Autonoma Valle d’Aosta. Uno dei test più significativi è stato condotto sul ghiacciaio Indren a Gressoney La Trinité, in data 1° luglio 2014. Qui di seguito si riportano alcune immagini concernenti l’elaborazione dei dati raccolti e visualizzati con Google Earth. Panoramica per contestualizzare l’ambiente glacializzato: Figura 35 Ghiacciaio dell'Indren (3300m), panoramica dell'ambiente glacializzato 51 Figura 36 Nuvola di punti rilevati Come si può notare l’operatore ha rilevato un consistente numero di punti in poco meno di 2 minuti, senza la necessità di seguire percorsi stabiliti o tracciati sulla neve, ma semplicemente muovendosi attorno al punto “ipotizzato” (in figura il tag di colore blu) e corrispondente alla posizione GPS rilevata al momento dell’installazione. Un estratto di dati rilevati è riportato nella tabella seguente: Figura 37 Estratto di dati rilevati 52 La posizione X,Y,Z è riferita ad un sistema cartesiano 3D con origine al centro della terra. La Colonna RSSI riporta i valori in dBm. Conclusioni In definitiva sul ghiacciaio Indren si è ottenuto un posizionamento in pianta del tag sepolto con una precisione di circa 80 cm. Nell’immagine che segue è possibile visualizzare la posizione vera del tag 6 in blu e la posizione stimata in verde. Figura 38 Precisione della posizione stimata (tag verde) rispetto a posizione reale (tag blu) B5 Caratterizzazione del sistema Nel seguito sono 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. Le prove eseguite sono state volte alla caratterizzazione dei componenti a disposizione (tag, reader, sensori, antenne, capsula contenitrice) e alla valutazione dell'attenuazione introdotta dal ghiaccio e dalla neve in ambiente alpino. In particolare sono stati svolti i seguenti test: •
•
•
•
•
caratterizzazione della capsula contenitrice; caratterizzazione dei sensori; caratterizzazione del tag e del reader RFID in ambiente “controllato” ed in “spazio libero”; test di funzionamento in situ (Punta Helbronner e ghiacciaio Indren) e misure di potenza ricevuta dal tag e dal reader; misura dei consumi energetici e durata della batteria. 53 B5.1 Test preliminari Test di trasmissione Utilizzando il firmware scritto ad hoc si sono condotti dei test preliminari presso la sede di EnviSens Technologies a Quart per misurare una portata utile in condizioni di vista ottica tra tag e reader. Figura 39 Mappa delle prove di trasmissione A partire dalla sede di Envisens, il tag è stato progressivamente allontanato dal reader ad ovest, lungo la strada statale 26 ed infine verso sud, sulle tratte evidenziate in figura 8, riportando i seguenti risultati medi: Distanza in LoS [m] RSSI [dBm] 60 -­‐69 150 -­‐75 200 -­‐80 280 -­‐92 450 -­‐96 650 -­‐97 La sensibilità di ciascun dispositivo è di circa -­‐117 dBm: al di sopra di questo valore, da considerare come soglia massima, i dispositivi diventano “sordi”. Pertanto il valore rilevato alla distanza massima di 650 metri in campo libero è da considerare come valore conservativo per garantire un collegamento stabile e affidabile tra i due dispositivi. Tali risultati sono solamente indicativi della portata radio ritenuta stabile dei dispositivi e sono stati eseguiti in un ambiente non controllato. In particolare si vuole evidenziare che alla distanza di 450 m il tag si trovava molto vicino all’autostrada e la visuale non era del tutto aperta (presenza di pali metallici e reti lungo il cammino ottico), mentre a 650 m il campo era maggiormente libero trovandosi al di sopra di un terrapieno. Alla luce di questo test in campo, il firmware realizzato si è dimostrato utile all‘esecuzione e pertanto, rendendolo di più facile utilizzo, può essere utilizzato anche in fase di test su ghiacciaio. B5.2 Caratterizzazione della capsula contenitrice La capsula contenitrice in materiale plastico costituisce non solo un elemento di protezione della scheda elettronica ivi alloggiata contro eventuali danneggiamenti dovuti alle sollecitazioni meccaniche del 54 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 via radio e di errore nella misura dei parametri fisici di ghiaccio e neve. Pertanto essa è stata sottoposta a prove meccaniche, fisiche ed elettriche per comprendere le sue caratteristiche e valutare, da un lato, la sua efficacia come elemento protettivo e, dall’altro, la necessità di adottare eventuali accorgimenti per eliminare o ridurre al minimo gli errori che essa 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 stata la verifica che la tenuta stagna della capsula e la sua capacità a resistere alla compressione garantiscano, una volta installata nel ghiaccio, assenza di infiltrazioni di acqua e di deformazioni strutturali dell’involucro esterno. Il 17 ottobre 2013 si è condotta la prova presso la diga di Place Moulin, nel Comune di Bionaz (AO), identificata come il luogo più adatto, per il test di immersione, 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 di seguito riportata) 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. 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 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. 55 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 delle masse 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: 𝑃 = 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ 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 ricava 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 soggetta anche alla pressione atmosferica, comunemente assunta pari a 1 atm, che va aggiunta a quella del fluido. 𝑃!"! = 𝑃!"# + 𝑃!"#$%& 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. All’emergere di bolle in superficie, è stata recuperata e ispezionata, riscontrando immediatamente una evidente invasione d'acqua al suo interno. 56 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” il coperchio, 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). 57 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 per l’esperimento alla diga di Bionaz, la quale 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 e a temperature più basse, 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. 58 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, poiché 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 [42]: 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” [42] 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: 59 I valori della tabella sono estratti da [42] e da [43]. Quindi, ad un maggiore riscaldamento del materiale corrisponde una maggiore potenza RF dissipata e, per sottrazione, 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. È 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 Bri e Jebbor [44], restituisce un valore medio di Ɛr della miscela di nylon e resina epossidica compreso tra le due permittività dielettriche relative. È 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). B5.3 Caratterizzazione dei sensori Il sensore di temperatura in camera climatica Il giorno 25 marzo 2014 è stata condotta una prova di calibrazione di un sensore di temperatura PT1000, classe A, con range di temperatura di rilevamento compreso tra -­‐200 e +600°C, modello P1K0.232.6W.A.010, del produttore Innovative Sensor Technology (IST), montato su un tag RFID e di due 60 sonde termometriche, denominate TM1 e TM5, marca testo, modello 06131212, montate su due strumenti testo 110. Figura 40 Sensore di temperatura PT1000 Gli strumenti sono stati posti in una camera climatica marca Binder, modello MKF115, che garantiva un ambiente termostato a temperatura regolabile di elevata stabilità ed uniformità; la temperatura è stata fatta variare tra +10°C e -­‐10°C, a passo di 1°C; il tag era collegato e controllato tramite porta seriale dal software di gestione Malatrà. Figura 41 Camera climatica Binder L’umidità relativa era regolabile soltanto al di sopra dei 5°C, dove è stata mantenuta ad un livello costante di 60%, al di sotto dei 5°C il Binder ha la funzione di mantenerla inferiore al 100%. I dati raccolti sono presentati nella seguente tabella: 61 BINDER&[°C]
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
,1
,2
,3
,4
,5
,6
,7
,8
,9
,10
Sensore&PT1000
Sensori&testo
Errore&
ADC
TAG&[°C] TM1&[°C] TM5&[°C] sistematico&[°C]
3149
10,68
10,20
10,50
0,68
3060
9,71
9,30
9,60
0,71
2938
8,38
8,00
8,30
0,38
2844
7,34
6,80
7,20
0,34
2760
6,43
6,00
6,30
0,43
2683
5,59
5,00
5,40
0,59
2540
4,03
3,90
3,90
0,03
2477
3,33
3,10
3,30
0,33
2358
2,04
2,00
2,10
0,04
2270
1,08
0,80
1,10
0,08
2189
0,19
0,00
0,20
0,19
2094
,0,84
,0,80
,0,60
0,16
2008
,1,77
,1,90
,1,60
0,23
1915
,2,78
,2,80
,2,60
0,22
1817
,3,86
,3,90
,3,80
0,14
1726
,4,84
,4,90
,4,70
0,16
1615
,6,06
,6,10
,5,90
,0,06
1512
,7,18
,7,10
,7,00
,0,18
1426
,8,11
,8,10
,7,90
,0,11
1348
,8,96
,8,90
,8,70
0,04
1261
,9,90
,9,90
,9,70
0,10 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. La colonna TAG rappresenta la temperatura “calcolata” dal PCB mentre l’ultima riporta l'errore rispetto al valore misurato dalla camera climatica. Vi sono infine le colonne TM1 e TM5 che rappresentano i valori di temperatura misurata dai due strumenti manuali con sonde a immersione. Il grafico sottostante, nel riportare i valori della tabella, evidenzia un comportamento sostanzialmente lineare del dispositivo, nell'intervallo di temperatura dato. Calibrazione)PT1000)
12,0&
10,0&
8,0&
6,0&
Temperatura)PT1000)°C)
4,0&
2,0&
0,0&
!12,0&
!10,0&
!8,0&
!6,0&
!4,0&
!2,0&
0,0&
2,0&
4,0&
6,0&
8,0&
10,0&
12,0&
!2,0&
!4,0&
!6,0&
!8,0&
!10,0&
!12,0&
Temperatura)in)camera)clima3ca)°C)
62 Si può notare che la retta ha un’inclinazione di quasi 45° e uno scostamento rispetto all’origine soltanto di 0,19°, che rappresenta l’errore calcolato sulla PT1000 rispetto alla temperatura di 0°C rilevata dalla camera climatica. Nella figura sottostante è riportata la precisione della misura di temperatura effettuata dal PCB tra +10 e -­‐10 °C. Da rilevare come, nell'intervallo da +5 gradi a -­‐10 gradi centigradi, la precisione si attesti su una media calcolata di 0,12°C. Precisione%della%misura%di%temperatura%
0,8%
0,7%
0,6%
0,5%
Errore%sistema6co%°C%
0,4%
0,3%
0,2%
0,1%
0,0%
!0,1%
!0,2%
!0,3%
12,0%
10,0%
8,0%
6,0%
4,0%
2,0%
0,0%
!2,0%
Temperatura%in%camera%clima6ca%°C%
!4,0%
!6,0%
!8,0%
!10,0%
!12,0%
Di seguito invece si riporta il grafico che illustra la comparabilità tra le precisioni di misura effettuate con il tag e quelle con gli strumenti manuale TM1 e TM5, dal quale si deduce che tra 2 e -­‐12°C le curve di precisione si stabilizzano su valori decisamente confrontabili: Precisione%della%misura%di%temperatura%
0,8%
Errore%sistema+co%tag%[°C]%
Errore%sistema+co%TM1%[°C]%
Errore%sistema+co%TM5%[°C]%
0,6%
Errore%sistema3co%°C%
0,4%
0,2%
0,0%
!0,2%
!0,4%
12,0%
10,0%
8,0%
6,0%
4,0%
2,0%
0,0%
!2,0%
Temperatura%in%camera%clima3ca%°C%
!4,0%
!6,0%
!8,0%
!10,0%
!12,0%
63 La precisione ottenuta, di 0,12°C, non è sufficiente a garantire quella inferiore al decimo di grado, che ci si prefigge di raggiungere. Dalla caratterizzazione effettuata sulla PT1000 precedentemente alla prova qui riportata e dall’analisi dei risultati ottenuti, è emerso che l’errore nell’intervallo di temperatura di interesse è da considerare come un errore sistematico e dunque correggibile via software. Pertanto è stato introdotto un valore di correzione di +0,905 °C che consente di ottenere la precisione desiderata nell’intervallo +5 e -­‐20°C. Il sensore di pressione in acqua Il test è stato eseguito su un sensore di pressione, modello SSCDANT030PG2A3, produttore Honeywell, in grado di operare ad una pressione di lavoro compresa tra 0 e 200kPa. Figura 42 Sensore di pressione Previo l’utilizzo di una capsula con tag connesso ad un sensore di pressione, ci si è cautelativamente assicurati che la stessa, munita del solo sensore e sigillata con silicone impermeabile non facesse filtrare acqua o umidità, soprattutto attraverso il foro della calotta dove spunta l’ugello del sensore di pressione. La si è così immersa in un secchio riempito d’acqua. Figura 43 Sensore di pressione inserito in capsula Accertata l’assenza di infiltrazioni, la prova è stata condotta su una capsula, analogamente sigillata, ma provvista al suo interno della scheda PCB. 64 Figura 44 Schema del collegamento elettrico del sensore sulla PCB Utilizzando un pc portatile con attivato il software MALATRA, si è stabilita una connessione RFID con il tag e si è proceduto ad interrogarlo acquisendo valori istantanei di pressione al ritmo di uno ogni 10 secondi. Le condizioni di rilevamento del valore di pressione hanno seguito le seguenti fasi: • tag e sensore di pressione all’aperto • tag chiuso ermeticamente nella capsula mantenuta all’aperto • tag chiuso ermeticamente nella capsula immersa in acqua Un foglio di calcolo è stato preventivamente predisposto per convertire i valori digitali del sensore in valori analogici espressi in psi (pound per square inch) e in bar; ad esso viene accompagnato un foglio di calcolo delle pressioni idrostatiche a diverse profondità fino ad un massimo di 1m. Il secchio utilizzato è stato riempito d’acqua fino ad un livello di 22 cm che corrispondono a teorici 0,02 bar (escludendo il contributo della pressione atmosferica) e la capsula è stata posizionata in tre diversi punti: 1. appena sotto il pelo libero dell’acqua con l’asse maggiore perpendicolare al suolo; 2. 10 cm al di sotto del pelo libero dell’acqua con l’asse maggiore parallelo al suolo; 3. 20 cm al di sotto del pelo libero dell’acqua con l’asse maggiore parallelo al suolo. Pressione(idrosta3ca(al(variare(della(profondità(
12,00#
Pressione([bar](
10,00#
8,00#
6,00#
4,00#
2,00#
0,00#
0#
20#
40#
60#
Profondità([cm](
Il test ha fornito i seguenti dati: 80#
100#
120#
65 Output
1650
1653
1652
1652
1731
1736
1735
1738
1740
1788
1790
1790
1793
1816
1861
1862
1864
1866
1752
1754
1754
1754
1866
1867
1866
1869
1866
1752
1754
1797
1797
1797
1866
1866
1866
1867
1866
1866
1747
1748
1747
1873
1876
1874
1754
1750
1750
Pressione.Misurata
PSI
BAR
0,0275
0,0019
0,0343
0,0024
0,0320
0,0023
0,0320
0,0023
0,2128
0,0150
0,2243
0,0158
0,2220
0,0156
0,2289
0,0161
0,2334
0,0164
0,3433
0,0241
0,3479
0,0244
0,3479
0,0244
0,3547
0,0249
0,4074
0,0286
0,5104
0,0359
0,5127
0,0360
0,5172
0,0363
0,5218
0,0367
0,2609
0,0183
0,2655
0,0187
0,2655
0,0187
0,2655
0,0187
0,5218
0,0367
0,5241
0,0368
0,5218
0,0367
0,5287
0,0372
0,5218
0,0367
0,2609
0,0183
0,2655
0,0187
0,3639
0,0256
0,3639
0,0256
0,3639
0,0256
0,5218
0,0367
0,5218
0,0367
0,5218
0,0367
0,5241
0,0368
0,5218
0,0367
0,5218
0,0367
0,2495
0,0175
0,2518
0,0177
0,2495
0,0175
0,5378
0,0378
0,5447
0,0383
0,5401
0,0380
0,2655
0,0187
0,2563
0,0180
0,2563
0,0180
Posizione.capsula
kPa
tag.esposto.all'aria capsula.in.aria sotto.pelo.libero 910cm 920cm
0,1930
x
0,2412
x
0,2252
x
0,2252
x
1,4957
x
1,5761
x
1,5600
x
1,6083
x
1,6404
x
2,4124
x
2,4445
x
2,4445
x
2,4928
x
2,8627
x
3,5864
x
3,6025
x
3,6347
x
3,6668
x
1,8334
x
1,8656
x
1,8656
x
1,8656
x
3,6668
x
3,6829
x
3,6668
x
3,7151
x
3,6668
x
1,8334
x
1,8656
x
2,5571
x
2,5571
x
2,5571
x
3,6668
x
3,6668
x
3,6668
x
3,6829
x
3,6668
x
3,6668
x
1,7530
x
1,7691
x
1,7530
x
3,7794
x
3,8276
x
3,7955
x
1,8656
x
1,8012
x
1,8012
x
dove: • “Output” è il valore digitale ottenuto tramite acquisizione istantanea; • PSI, bar e kPa rappresentano il valore digitale convertito in analogico espresso nelle tre principali unità di misura di pressione; • “Posizione capsula” raccoglie le diverse posizioni che si sono fatte assumere al tag durante l’esperimento: o tag esposto all’aria: il tag non ancora inserito nella capsula ed esposto all’aria; o capsula in aria: tag inserito in capsula sigillata e non ancora immersa in acqua; o sotto pelo libero: la capsula è stata immersa nel senso della lunghezza fino a sommergerla completamente, lasciando l’ugello del sensore di pressione pochi millimetri sotto il pelo libero dell’acqua; 66 o
o
-­‐10cm: l’ugello del sensore di pressione si trovava ad una profondità di 10 cm con l’asse maggiore della capsula parallelo al pelo libero; -­‐20cm: l’ugello del sensore di pressione si trovava ad una profondità di 20 cm con l’asse maggiore della capsula parallelo al pelo libero. Volendo riassumere in una tabella più rappresentativa i dati del test, si ottiene il seguente risultato che bene illustra i vari cicli di emersione e immersione della capsula – la colonna cm indica la profondità di immersione: Output
1731
1736
1735
1738
1740
1788
1790
1790
1793
1816
1861
1862
1864
1866
1752
1754
1754
1754
1866
1867
1866
1869
1866
1752
1754
1797
1797
1797
1866
1866
1866
1867
1866
1866
1873
1876
1874
Pressione3Misurata
PSI
bar
0,2128
0,0150
0,2243
0,0158
0,2220
0,0156
0,2289
0,0161
0,2334
0,0164
0,3433
0,0241
0,3479
0,0244
0,3479
0,0244
0,3547
0,0249
0,4074
0,0286
0,5104
0,0359
0,5127
0,0360
0,5172
0,0363
0,5218
0,0367
0,2609
0,0183
0,2655
0,0187
0,2655
0,0187
0,2655
0,0187
0,5218
0,0367
0,5241
0,0368
0,5218
0,0367
0,5287
0,0372
0,5218
0,0367
0,2609
0,0183
0,2655
0,0187
0,3639
0,0256
0,3639
0,0256
0,3639
0,0256
0,5218
0,0367
0,5218
0,0367
0,5218
0,0367
0,5241
0,0368
0,5218
0,0367
0,5218
0,0367
0,5378
0,0378
0,5447
0,0383
0,5401
0,0380
kPa
1,4957
1,5761
1,5600
1,6083
1,6404
2,4124
2,4445
2,4445
2,4928
2,8627
3,5864
3,6025
3,6347
3,6668
1,8334
1,8656
1,8656
1,8656
3,6668
3,6829
3,6668
3,7151
3,6668
1,8334
1,8656
2,5571
2,5571
2,5571
3,6668
3,6668
3,6668
3,6829
3,6668
3,6668
3,7794
3,8276
3,7955
cm
0
0
0
0
0
10
10
10
10
20
20
20
20
20
0
0
0
0
20
20
20
20
20
0
0
10
10
10
20
20
20
20
20
20
20
20
20
67 Pressione#rilevata#in#bar#
0,045"
25"
0,040"
20"
0,035"
15"
0,025"
cm#
bar#
0,030"
0,020"
10"
0,015"
0,010"
bar"
cm"
5"
1874"
1873"
1866"
1866"
1866"
1797"
1754"
1866"
1866"
1866"
1754"
1752"
1864"
1861"
1790"
1793"
1740"
1735"
0,000"
1731"
0,005"
0"
Pressione#rilevata#in#kPa#
4,500"
25"
4,000"
20"
3,500"
15"
2,500"
cm#
kPa#
3,000"
2,000"
10"
1,500"
1,000"
kPa"
cm"
5"
1874"
1873"
1866"
1866"
1866"
1797"
1754"
1866"
1866"
1866"
1754"
1752"
1864"
1861"
1790"
1793"
1740"
1735"
0,000"
1731"
0,500"
0"
Pressione#rilevata#in#PSI#
0,600"
25"
0,500"
20"
15"
cm#
psi#
0,400"
0,300"
10"
0,200"
cm"
5"
1874"
1873"
1866"
1866"
1866"
1797"
1754"
1866"
1866"
1866"
1754"
1752"
1864"
1861"
1793"
1790"
1740"
1735"
1731"
0,100"
0,000"
PSI"
0"
Dai dati ottenuti è possibile constatare che esiste una buona corrispondenza tra i valori misurati dal sensore e quelli teorici derivanti dai calcoli della pressione idrostatica alle diverse profondità indagate, inoltre si può notare una buona ripetibilità delle misure ove la capsula è stata fatta riemergere e immergere per più cicli. I sensori di posizione: accelerometro e magnetometro L’accelerometro restituisce la posizione della capsula nello spazio così come previsto dal suo funzionamento e non è stato necessario eseguire ulteriori test o modifiche alla progettazione. 68 Per quanto riguarda il magnetometro invece, alcuni test preliminari hanno evidenziato un suo malfunzionamento, dovuto alla presenza del piano di massa conduttivo al di sotto del componente e dalla presenza di materiale ferroso (la morsettiera del sensore di pressione con contatti nichelati) nelle immediate vicinanze. Come già riportato nella sezione B4.3 “Progettazione nuovo layout PCB”, la versione 2 della scheda è stata migliorata tenendo conto di questi aspetti e modificando il layout in modo da adeguare la scheda alle esigenze del componente. Il magnetometro restituisce ora correttamente l’orientamento della capsula rispetto al nord magnetico. B5.4 Caratterizzazione del sistema d’antenna Il sistema d’antenna è essenzialmente costituito dai seguenti quattro elementi: -­‐ il simmetrizzatore di linea con trasformazione dell’impedenza (o BalUn) posto all’uscita del microprocessore; -­‐ la linea di trasmissione che corre sulla basetta e porta il segnale all’antenna; -­‐ la rete di adattamento dell’impedenza, posta immediatamente prima del connettore d’antenna; -­‐ l’antenna vera e propria, quella facilmente riconoscibile a vista. Tutto il sistema è di fondamentale importanza perché da esso dipende il raggio di azione e la profondità massima raggiungibile. Quindi particolare cura è stata impiegata per conoscere e analizzare quanto realizzato al fine di migliorarne le prestazioni. Le misure sono state effettuate sulla prima versione e sulla seconda versione del tag per apprezzare i miglioramenti apportati. Tag versione 1: misure d’impedenza al connettore d'antenna Come suggerito dal produttore [45] 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. Figura 45 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 69 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). Tag versione 1: 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 Si riportano le immagini dell'analizzatore congelate durante la misura: 70 Con una potenza di ingresso al connettore d'antenna del PCB pari a -­‐30 dBm, l'impedenza misurata era pari a: Zin = 37,01 + j 2,19 Ω 71 I risultati delle misure indicano che il valore teorico di 50 Ohm puramente resistivo (ovvero con parte immaginaria al limite molto piccola) non sono stati esattamente realizzati; 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. 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). 72 Questo valore è comunemente considerato in letteratura come un valore pienamente accettabile per il corretto funzionamento del trasmettitore. Ciononostante, valori ancora più vicini all'unità rimangono comunque l’obiettivo primario del progettista. 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 dall’antenna. Al termine delle misure sarà possibile stimare quanta potenza RF lascia realmente l'antenna. Tag versione 1: stima dell’impedenza dell’antenna elicoidale Sul tag 1° versione si è cercato di misurare con l’analizzatore vettoriale di rete l’impedenza dell’antenna elicoidale utilizzata sfruttando come piano di massa il suo PCB senza componenti. Per misurare l'impedenza 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) per prelevare il segnale da misurare; ● 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 a 0 dBm su 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 impedenza caratteristica nel momento di risonanza dell'antenna (minimo di S11). 73 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 dell’antenna dal PCB, sia in verticale sia in orizzontale (inclinando leggermente l’asse dell'antenna rispetto al piano definito dal PCB), ha cambiato sensibilmente i valori di impedenza (tutti molto alti rispetto ai 50 Ohm teorici ricercati). Non potendo quindi misurare direttamente il valore con la prima versione del tag è stata fatta una stima dell’impedenza caratteristica dell’antenna, partendo dai dati forniti dal costruttore. 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 calcolato 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. Dalle misure sopra riportate risulta che il tag versione 1 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 Queste grandezze serviranno alle valutazioni successive circa la caratterizzazione del PCB e delle sue versioni migliorate. Tag versione 2: Misura dell’impedenza dell’antenna e rete di adattamento Con la versione 2 del tag, è stata migliorata la linea di trasmissione stampata sul PCB e sono state aggiunte delle “piazzole” per il montaggio dei componenti elettronici aggiuntivi che saranno calcolati e dimensionati nel presente paragrafo. Tali componenti aggiuntivi rappresentano la rete di adattamento dell’impedenza d’antenna con quella di linea, i cui valori sono anch’essi oggetto di indagine del presente paragrafo. Nelle foto di seguito riportate è possibile visualizzare quanto esposto. Figura 46 -­‐ Tag Versione 1 Figura 47 -­‐ Tag versione 2. la freccia indica la linea di trasmissione. Il quadrato, la rete di adattamento. Nelle foto è possibile notare anche la diversa distanza dell’antenna dal suo piano di massa (in foto la zona in colore rosso chiaro). Si vedrà più avanti in questo paragrafo, come questa aumentata distanza contribuisca, unitamente alle altre modifiche, a migliorare il comportamento radioelettrico del dispositivo. 74 Ritornando alle attività di misura, l’antenna elicoidale utilizzata e definita nello studio di fattibilità, è descritta sinteticamente dal suo datasheet, il quale riporta i valori radioelettrici tipici della prova effettuata dal costruttore. Si ricorda che tali valori sono stati usati in precedenza per fare una stima della sua impedenza (in quanto non era stato possibile misurarla direttamente). Il montaggio dell’antenna sul PCB del tag definisce una nuova installazione che potrebbe, in linea teorica, non avere niente in comune con quanto definito nel datasheet, sia perché il piano di massa ha dimensioni diverse da quello usato dal costruttore, sia perché la distanza di montaggio rispetto al suo piano di massa può essere diversa. Queste sono le ragioni per una nuova sessione di misure. Si ricorda che le motivazioni per le quali è importante ricercare il valore d’impedenza risiedono nel fatto che si vuole realizzare un buon adattamento elettrico tra l’antenna e la linea di trasmissione: nel collegare, infatti, l’antenna al PCB ciò che si vuole ottenere è una “giunzione” a bassa perdita, che massimizzi la quantità di energia irradiata. Il parametro elettrico che si utilizza è normalmente il ROS Rapporto di Onda Stazionaria (in inglese VSWR Voltage Stationary Wave Ratio). Per eseguire la misura delle impedenze e del ROS si è operato come di consueto (si veda paragrafo “Tag versione 1: Misure di impedenza al connettore d’antenna”). Il valore d’impedenza dell’antenna connessa al suo piano di massa è risultato essere pari a 10.4 + j45.43 Ohm; Figura 48 Schermata dell'analizzatore vettoriale di rete riguardante la misura dell'impedenza caratteristica dell’antenna. 75 Il valore del modulo d’impedenza caratteristica della linea di trasmissione a cui è collegata l’antenna è risultato essere prossimo al valore teorico di 50 Ohm, per la precisione 59.8 Ohm ( valore di impedenza pari a 58.4 –j10.7) come mostrato nella figura seguente. Figura 49 Schermata dell'analizzatore vettoriale di rete riguardante la misura dell'impedenza caratteristica della linea di trasmissione sul PCB. Sebbene il valore numerico reale della linea si discosti leggermente da quello teorico, nella pratica comune esso viene considerato un valore adeguato agli scopi. Ottenere di meglio con componenti e precisioni di tipo commerciale e con un processo industriale standard non sarebbe possibile e nemmeno economicamente giustificato. Pertanto il risultato ottenuto per il valore di impedenza della linea di trasmissione è sufficientemente preciso e soddisfa i requisiti di progetto. Rimane, dunque, da realizzare l’adattamento dell’antenna alla linea di trasmissione. Con l’ausilio del software di simulazione ADS (Advanced Design System) di Agilent sono stati individuati e scelti i componenti discreti di induttanza e capacità, tra i valori standard di mercato. La tipologia di circuito di adattamento è il seguente: 76 In P2 è stata posta l’impedenza della linea di trasmissione utilizzando il valore misurato (diverso da quello teorico di 50 Ohm) e in P1 il valore complesso e coniugato d’impedenza dell’antenna (per ottenere l’adattamento richiesto). Il software di simulazione ha individuato i seguenti valori: -­‐ capacità serie di 7.46 pF -­‐ induttanza parallelo di 12.6 nH I valori standard di mercato selezionati sono stati invece pari a: -­‐ capacità serie di 6.8 pF ± 0.25 pF -­‐ induttanza parallelo di 18 nH ± 5% Da notare che i valori standard sono sì diversi dai valori simulati dal software, ma anche i più “vicini” disponibili a prezzi contenuti. La realizzazione di componenti su misura per soddisfare pienamente quanto indicato in simulazione sarebbe stata improponibile sia per gli elevati costi che per le tempistiche della loro realizzazione. 77 Il risultato comunque è soddisfacente poiché l’impedenza della rete di adattamento, che si ottiene con i componenti scelti, è pari a 13.9 – j28.2 Ohm, che corrisponde ad un valore di ROS (o VSWR) complessivo di circa 3.25, ovvero il miglior valore dichiarato dal costruttore dell’antenna. Nell’immagine che segue si riporta il circuito di adattamento finale: Figura 50 Schema di circuito della rete di adattamento. Di seguito invece si riporta la figura che rappresenta su carta di Smith il valore dell’impedenza della linea a seguito dell’adattamento. Figura 51 Schermata dell'analizzatore vettoriale di rete riguardante il valore di impedenza realizzato al connettore d'antenna. 78 Si fa notare come tale valore sia “quasi” diametralmente opposto al valore d’impedenza d’antenna (cfr Figura 48 Schermata dell'analizzatore vettoriale di rete riguardante la misura dell'impedenza
caratteristica dell’antenna.), il che indica l’aver realizzato, con i componenti elettronici a disposizione, “quasi” l’impedenza complessa e coniugata utile all’adattamento perfetto (così come richiesto dalla teoria delle linee di trasmissione e delle reti di adattamento). Per concludere, le misure effettuate hanno consentito di conoscere approfonditamente il dispositivo realizzato per quanto riguarda il sistema d’antenna e di apportare alcune modifiche sia al PCB che al progetto stesso del sistema radiante. Dalla prima versione del tag alla seconda si è migliorata l’efficienza radiante del sistema d’antenna, passando dai seguenti valori: • coefficiente di riflessione, |Γ| = 0.624 •
rapporto di onda stazionaria in tensione, VSWR = 4.32:1 ai seguenti valori: • coefficiente di riflessione, |Γ| = 0.53 •
rapporto di onda stazionaria in tensione, VSWR = 3.25:1 Il valore di rapporto di onda stazionaria, ottenuto con la versione 2 della scheda, è dunque pari a 3.25, in pratica lo stesso di quello dichiarato dal costruttore come migliore valore ottenibile. 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 posta 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). 79 Il tag, montato su un sostegno girevole a 360 gradi (cavalletto nero in foto a destra) trasmetteva continuamente un segnale a 315MHz con una potenza al connettore d'antenna pari a 10 dBm. L'antenna di ricezione, una Yagi 5 elementi montata su un sostegno fisso (cavalletto argento in foto a sinistra) 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. 80 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) [46]. Per comodità di lettura si riporta la figura n.2 tratta dallo standard che rappresenta il riferimento del Sistema di Coordinate Sferiche utilizzato per le misure di Antenna: 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 (Polarizzazione. O) Elevazione (Pol. V) e (Polarizzazione. O) 81 Nelle immagini sottostanti è possibile visualizzare le configurazioni utilizzate nelle rilevazioni e il sistema di riferimento adottato. 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
82 Azimuth (phi) φ
x
y
z
Elevazione (tetha) z
θ
I dati raccolti sono stati analizzati e diagrammati con Octave [47], programma di calcolo open source simile a Matlab. Gli script utilizzati per la presentazione delle informazioni con diagramma polare sono quelli elaborati da Balanis [24] 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. Infatti, se si fosse voluto diagrammare il Guadagno della sola antenna ad elica del tag, si sarebbe dovuto conoscere sia il Guadagno dell'antenna ricevente per ogni angolo phi e theta (che al momento non 83 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∣ )Ŋ (1− ∣Γ r∣ ) λ Ŋ∣ ρ⃗ tŊ 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∣ )Ŋ (1− ∣Γ r∣ )Ŋ∣ ρ⃗ tŊ 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
)= G
2
A
(θr , ϕr )
che in forma logaritmica diviene: G A (θr , ϕr ) = P r (θr , ϕr )− P t + 20log
dBm
dBm
(4λπ )+ 20log d Di seguito si riportano le misure: 84 85 86 Figura 52 Azimut, Polarizzazione V dell'antenna del tag. Figura 53 Elevazione, Polarizzazione V dell'antenna del tag. 87 Figura 54 Azimut, Polarizzazione O dell'antenna del tag. Figura 55 Elevazione, Polarizzazione O dell'antenna del tag. 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 88 perfettamente omnidirezionali. Ruotando intorno al tag il Guadagno Assoluto cambia entro l'intervallo riportato nelle figure seguenti: Figura 56 Azimut, Pol. V: Delta Gain di 4.28 sul minimo misurato. Figura 57 Elevazione, Pol. V: Delta Gain di 8.81 sul minimo misurato. 89 Figura 58 Azimut, Pol. O: Delta Gain di 3.06 sul minimo misurato. Figura 59 Elevazione, Pol. O: Delta Gain di 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. 90 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
Figura 60 Massima precisione ottenibile nella stima di posizionamento del tag sepolto tramite misura di RSSI. La stima della profondità dipende, quindi, dall’orientamento del tag sepolto e dall’orientamento dell’antenna ricevente, ovvero da come l’operatore esegue la misura. Queste due variabili ci suggeriscono un’applicabilità difficoltosa del metodo basato solo sulla rilevazione del valore di RSSI e ci indirizzano verso altre strade per la rilevazione della posizione in mappa e della profondità del tag RFID. 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: 91 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
Figura 61 Polarizzazione dell'antenna del tag ottenuta con polarizzazione O dell'antenna in ricezione.nna tag, Pol. O Antenna Ricezione B5.5 Test di funzionamento in campo libero e in ambiente glaciale Al fine di testare i dispositivi e di reindirizzare eventualmente lo sviluppo del sistema sono stati effettuati diversi test nel mese di ottobre 2013. 92 Test n°1 • Luogo Diga di Place Moulin, Bionaz (AO) • Periodo 17 ottobre 2013 • Obiettivi Sono stati utilizzati un tag ed un reader per delle prove di trasmissione a diverse distanze lineari ed in campo libero tra i due e con diverse posizione dell’asse dell’antenna ricevente, per estrapolare i livelli di attenuazione del segnale con la massima precisione possibile. Test n°2 • Luogo Punta Helbronner, Massiccio del Monte Bianco • Periodo 18 ottobre 2013 • Obiettivi o Verificare la comunicazione tra il reader e il tag; o determinare la localizzazione planimetrica del tag; o verificare la continua e corretta alimentazione elettrica della scheda PCB; o verificare la corretta acquisizione dei dati dai sensori; o verificare la tenuta stagna della capsula contenitrice; o registrare e scaricare i dati misurati dai sensori. Test n°3 • Luogo Grande Place, Pollein (AO) • Periodo 28 ottobre 2013 • Obiettivi Analogamente al test n°1, si è voluto migliorare le condizioni di test sfruttando un ambiente con caratteristiche le più aderenti a quelle previste per lo “spazio libero”. Test n°1 – Diga di Place Moulin Il giorno 17 ottobre 2013, 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. 93 Vista dal muro di coronamento della diga di Place Moulin (Bionaz, Valle d'Aosta). Foto scattata il giorno del test 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 [28] 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: 94 O Orizzontale V Verticale ⊥ Perpendicolare 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 (T2R o TR), sia al segnale ricevuto dal tag nella direzione dal reader verso il tag (R2T o 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
-
95 Riportando i valori ottenuti su un grafico si ottiene quanto segue: Volendo confrontare il comportamento in ricezione tra tag e reader si ottiene: 96 Il reader (nel grafico, curva blu TR) riceve un segnale inferiore rispetto al tag (nel grafico, curva arancio 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. Se si confrontano 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. 97 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 previsto dalla teoria sul fenomeno, 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. Test n°2 – Punta Helbronner 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 2013 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. 98 Figura 62 Vista francese dal campo di misura Figura 64 Dente del gigante Figura 63 Vista italiana dal campo di misura 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 poi (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. Nelle immagini che seguono è possibile vedere alcune delle operazioni di perforazione del ghiacciaio e la messa in opera del tag RFID. 99 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: 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 100 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. Figura 65 O -­‐ Orizzontale Figura 67 ⊥ - Perpendicolare Figura 66 V -­‐ Verticale 101 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. L'ora della rilevazione è stata riportata per eventuali confronti con i file di log generati dal reader RFID. 102 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
Test n°3 – Grande Place 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. 103 Figura 68 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 stato 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. 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. 104 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. 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). 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. 105 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. È 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 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, eseguendo 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, rilevati a Punta Helbronner. 106 Nel confronto tra i due grafici si nota immediatamente che le due linee parallele relative alla misura in campo libero (indicati in tabella come 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. B5.6 Misurazione dei consumi energetici e durata della batteria 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: 107 -­‐
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. B5.7 Il sistema Malatrà e possibili sviluppi futuri I risultati ottenuti durante i test riportati ai precedenti punti B5.4 e B5.5 sono stati incoraggianti ed hanno confermato la possibilità di utilizzo dei sensori in ambiente glaciale, con la possibilità di interrogare i sensori a profondità notevoli in neve e ghiaccio. Inoltre si è visto che anche a distanza (centinaia di metri) con un’antenna direttiva è possibile interrogare i sensori senza la necessità di recarsi fisicamente sul ghiacciaio. In tale caso si perde l’informazione di localizzazione del tag eseguita dall’operatore, ma apre scenari di utilizzo nell’ambito dei rischi glaciali, ove non sempre è possibile recarsi sul ghiacciaio per motivi di sicurezza. Per tali tipi di applicazione si è voluto investigare l’utilizzo di un chip della Texas Instruments che permetta di sfruttare la trasmissione radio a frequenze più basse, nello specifico a 169 MHz (frequenza riservata allo “smart metering”. Sì è deciso quindi di sviluppare una scheda con tale microcontrollore per testare le funzionalità radio e nuove interfacce fisiche per la comunicazione con il tag e per la connessione di eventuali sensori addizionali. Architettura hardware A titolo di studio si è dotato la scheda a 169 MHz di interfacce per renderla il più possibile intercomunicabile con altre tipologie di comunicazione, quali, oltre la radio, l'USB e l'etherne. La scheda ha un microcontrollore della famiglia MSP430F6 con le seguenti specifiche: ü Architettura RISC a 16 bit ü Clock principale fino a 20 MHz ü 256 KB di flash ü 16 KB di RAM ü Periferiche UART, SPI, I2C ü Tranceiver USB 2.0 ü Real-­‐Time Clock ü Timers, ADC e comparatori ü Modalità di Low Power Il PCB integra le seguenti periferiche: ü CC1120 108 tranceiver RF della Texas Instrument con bande di operatività 820-­‐960 Mhz, 410-­‐480 Mhz, 164-­‐192 Mhz, un data rate da 0 a 200 kbs, buffer a 128 bytes in trasmissione e ricezione separati, ottimizzato per operare a bassi consumi, funzionalità Wake-­‐On Radio, programmabile mediante bus SPI, massima potenza trasmessa 16 dbm. ü CP2200 controllore ethernet che supporta la specifica di livello fisico dello standard IEEE 802.3 MAC and 10 BASE-­‐T PHY e compatibile con le reti 100/1000 BASE-­‐T, è programmabile tramite un'interfaccia parallela di 11 I/O pin in modalità multiplexata, implementa la funzionalità Wake-­‐on-­‐LAN, offre un buffer di 2 kB in trasmissione e un buffer di 4 KB in ricezione. La scheda può essere alimentata da batteria oppure direttamente da USB, un'apposita circuiteria è stata adottata per gestire al meglio le diverse modalità. Sviluppo firmware La scrittura del software è stata indirizzata con lo scopo di testare la comunicazione radio a 169 Mhz. Questo comunque ha presupposto un notevole lavoro di configurazione della scheda in quanto è stata necessaria l'inizializzazione di molteplici moduli. ü Inizializzazione degli switch. per la gestione dell'alimentazione della scheda, sono stati necessari nella progettazione del PCB degli switch per poter alimentare correttamente la scheda. ü Inizializazzione dei clock di sistema. ü Inizializzazione delle porte GPIO ad uno stato coerente, specialmente per quelle relative a pin connessi a perifereriche non ancora utilizzate. ü Inizializzazione e scrittura driver del tranceiver SPI il setup di questo modulo è necessario in quanto il chip CC1120 viene pilotato dal microcontrollore attraverso questo bus seriale. ü Inizializzazione e scrittura driver del modulo CC1120 questo è stato il lavoro più importante perchè richiede uno studio preventivo e nel particolare del funzionamento del chip radio, per poter programmare ad-­‐hoc è necessario conoscere e configurare svariati registri che controllano modulazione, baud-­‐rate, banda del segnale, canale di comunicazone, potenza del segnale, segnale di preambulo, indirizzo del device, tipologia e lunghezza del pacchetto ricevuto o inviato, ID filtering con il quale è possibile ignorare i messaggi diretti ad altri dispositivi, verifica CRC sul pacchetto ricevuto e altro. ü Inizializzazione e scrittura driver della porta seriale per interfacciare l'output su PC. ü Calcolo dell'RSSI di pacchetto ricevuto. Inoltre è stata sviluppata una routine di test per la comunicazione radio e l’elaborazione statistica dei pacchetti ricevuti sia qualitativamente che quantitativamente mediante calcolo RSSI su terminale seriale. 109 Test di trasmissione Data l'equazione del "path loss": PATH LOSS(dB) = 32.44 + 20*log(F(MHz)) + 20*log(D(km)) -­‐ Gtx(dBi) -­‐ Grx(dBi) il solo cambio di frequenza da 315 Mhz a 169Mhz permetterebbe di raggiungere una distanza quasi doppia, infatti sostituendo nella formula l'addendo 20*log(315 Mhz) = 49.96 con 20*log(169 Mhz) = 44.55 si ha un guadagno di 49.96 -­‐ 44.55 = 5.41 dbm. Inoltre il chip radio CC1120 della Texas Intruments ha una sensitivity di -­‐123 dbm, 6 dbm in piu del tranceiver CC1101 integrato nel microcontrollore usato nel progetto delle schede a 315 Mhz. A livello teorico questo porterebbe la comunicazione del sistema a una distanza quasi quadrupla al precedente, permettendo la telelettura a distanza. Utilizzando il firmware scritto ad hoc per queste nuove schede, sono stati condotti i medesimi test preliminari delle schede a 315 Mhz presso la sede di EnviSens Technologies a Quart per misurare la portata utile in condizioni di vista ottica tra tag e reader. 110 Figura 69 Mappa delle prove di trasmissione a 169 Mhz A partire dalla sede di Envisens, il tag è stato progressivamente allontanato dal reader ad ovest, lungo la strada statale 26 ed infine verso sud, sulle tratte evidenziate in figura 8, riportando i seguenti risultati medi: RSSI [dBm] Distanza in LoS [m] 60 150 -­‐62 -­‐69 200 -­‐73 280 -­‐76 450 -­‐72 650 -­‐75 Ricordando che, come per i test delle schede della precedente versione, tali risultati sono solamente indicativi della portata radio ritenuta stabile dei dispositivi e sono stati eseguiti in un ambiente non controllato. In particolare, le misure a fino a 280 m sono state svolte lungo la strada, mentre per distanze di 450 e 650 m il tag si trovava oltre l’autostrada e la visuale non era del tutto aperta (presenza di pali metallici e reti lungo il cammino ottico), mentre a 650 m il campo era maggiormente libero trovandosi al di sopra di un terrapieno. Nel complesso per le lunghe distanze (450-­‐650 m), nel medesimo ambiente di misura, il segnale ricevuto a 169 MHz è 20 dB al di sopra della dinamica misurata con l’impiego del chip a 315 MHz. B6 Installazioni di monitoraggio in ambiente glaciale e su terreno innevato Il sistema di monitoraggio automatico mediante tag RFID è stato sperimentato preliminarmente nel campo neve di Villa Cameron, dov’era possibile sorvegliarne quotidianamente il comportamento. Successivamente il sistema è stato sperimentato sui ghiacciai di Indren e del Toula, dove sono stati fatti più sopralluoghi; lo scopo, oltre che verificarne il funzionamento e procedere allo scarico dei dati memorizzati, è stato avviare una prima campagna di monitoraggio in ambiente glaciale per testare l’efficacia di un sistema che si vorrebbe utilizzare a regime in abbinamento alle misure glaciologiche tradizionali. 111 Di seguito vengono presentate le tre diverse installazioni, descrivendone nel dettaglio gli obiettivi, le modalità di posizionamento, le attività di rilievo svolte ed i risultati ottenuti. Monitoraggio Installazione N° tag Termine monitoraggio Campo neve Villa Cameron 19/12/2013 1÷3 10/03/2014 Ghiacciaio Indren 18/04/2014 3 In corso Ghiacciaio Toula 12/06/2014 4 In corso Indren Toula Villa Cameron Figura 70 Ubicazione delle installazioni dei tag RFID B6.1 Installazione in campo neve presso Villa Cameron La prima installazione è stata eseguita in terreno innevato, è stata avviata il 19 dicembre 2013 e si è conclusa, per la completa fusione della neve, il 10 marzo 2014, dopo più di due mesi di attività, Si tratta della prima vera prova del funzionamento del sistema, progettato e realizzato dall’UdR, che ha necessitato 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. Obiettivi 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. L’opportunità 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. 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, eseguite giornalmente, hanno permesso di costituire un database consistente di dati da analizzare e di testare il funzionamento in continuo dei dispositivi sul lungo periodo. 112 Modalità di installazione Il campo neve è una porzione di terreno delimitata e utilizzata per la raccolta giornaliera di dati nivologici da trasmettere agli uffici regionali 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 [48]. 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. 113 La temperatura dell’aria è stata rilevata con uno strumento analogico il cui sensore era 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 [49] 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 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 114 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, 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. Attività eseguite 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 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 di collegamento con il PC, permettono la comunicazione con il terminale. 115 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. 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 RSSI nelle due direzioni R2T e T2R. Il segnale RF parte dal reader con una potenza assegnata e giunge al tag, che lo riceve (R2T), attenuato di una certa quantità; 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 116 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 della capsula, dovuto al funzionamento del PCB è trascurabile in quanto 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 il sistema ha funzionato con continuità e regolarità, registrando con cadenza oraria senza discontinuità nelle misure o anomalie nei valori rilevati. Le misure di temperatura del sensore 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. Analisi dei dati e risultati ottenuti 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 (figura 54). Volendo confrontare ciò che si ottiene dal sensore PT1000 con i valori ricavati manualmente mediante sonde a penetrazione (figura 55), 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 (figura 56), si assiste ad un primo periodo, compreso tra la data di installazione e la prima settimana di gennaio in cui le temperature misurate dalla PT1000 mostrano un trend somigliante simile a quello delle temperature dell’aria, confermando quanto riscontrato in Filippa, Zanini, Freppaz, Maggioni [50] dove si è identificato essere pari a 60 cm lo spessore all’interno del quale la temperatura è influenzata dalla radiazione solare e subisce variazioni nel corso della giornata. 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. 117 Temperatura)tag)[°C])
Temp)[°C])
0#
Poli.)(Temp)[°C]))
!0,2#
!0,4#
!0,6#
!0,8#
!1#
!1,2#
!1,4#
!1,6#
17/03/14#
12/03/14#
07/03/14#
02/03/14#
25/02/14#
20/02/14#
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#
!2#
12/12/13#
!1,8#
Figura 71 Andamento della temperatura registrata dal tag sepolto nella neve dal momento dell’installazione (19 dicembre 2013) fino al termine del test di monitoraggio (10 marzo 2014). La linea in nero (Poli), che rappresenta la polinomiale di tutte le misure acquisite, mostra un minimo ma graduale aumento delle temperature fino ad un valore di circa -­‐0,5°C. Temperatura%tag%VS%Temperatura%base%manto%nevoso%[°C]%
T%base%manto%nevoso%
Temp%[°C]%
Poli.%(T%base%manto%nevoso)%
Poli.%(Temp%[°C])%
1,0%
0,5%
0,0%
!0,5%
!1,0%
17/03/14%
12/03/14%
07/03/14%
02/03/14%
25/02/14%
20/02/14%
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%
!2,0%
12/12/13%
!1,5%
Figura 72 Il grafico mostra il confronto tra le temperature registrate dal tag sepolto in neve (linea in arancione) e quelle misurate con un termometro analogico manuale alla base del manto nevoso (punti neri cerchiati di rosso). Le due rappresentazioni sono completate da due polinomiali (quella nera relativa al tag e quella rossa relativa al termometro manuale) che illustrano una divergenza di circa 0,5°C tra i valori medi delle due misure. Di seguito si riporta il grafico riepilogativo dei dati raccolti, in cui sull’asse primario sono riportate le temperature misurate dal sensore 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. 118 Temperatura"tag"VS"Temperatura"analogica"base"del"manto"
6,00"
200"
180"
4,00"
Temperatura"tag"[°C]"
140"
0,00"
120"
100"
(2,00"
80"
(4,00"
60"
Altezza"manto"nevoso"cm"
160"
2,00"
(6,00"
40"
20"
22/03/14"
Altezza"manto"nevoso"
12/03/14"
Temperatura"base"suolo"
02/03/14"
Temperatura"dell'aria"
20/02/14"
Tag"RFID"
10/02/14"
31/01/14"
21/01/14"
11/01/14"
01/01/14"
22/12/13"
(10,00"
12/12/13"
(8,00"
0"
Figura 73 La temperatura registrata dal tag RFID (linea rossa) durante il monitoraggio è messa a confronto con quella misurata alla base del manto nevoso (linea azzurra) dal termometro manuale analogico e con la temperatura dell’aria (linea verde). I grafici sono messi in correlazione con l’altezza del manto nevoso (linea magenta) misurata nel corso del monitoraggio. 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 di RSSI veniva fatta giornalmente, sia al momento della prima connessione RFID, sia successivamente alla lettura dei dati dei sensori, mediante il lancio di un comando di “ping” continuo che restituiva i valori di attenuazione del segnale in direzione R2T e T2R (figura 57). 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). Tenuto conto di questi fattori di attenuazione è rimarchevole che la comunicazione RF avvenga sempre con efficienza, senza che si interrompa durante le operazioni di download dei dati. 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 -­‐88dBm. 119 Data
Direzione
ping,1
ping,2
ping,3
ping,4
ping,5
ping,6
ping,7
ping,8
15#gen R2T
#95,5
#95
#92,5
#91,5
#95
#95,5
#95,5
#96
15#gen T2R
#93,5
#95
#92,5
#91
#95
#95,5
#95,5
#95,5
16#gen R2T
#93,5
#91,5
#91,5
#92
#92,5
#92
#91
#91,5
16#gen T2R
#93
#89,5
#91,5
#89,5
#92,5
#93,5
#89
#90
21#gen R2T
#93
#91
#88
#89,5
#91
#92
21#gen T2R
#92
#89
#87,5
#86,5
#88,5
#90,5
24#gen R2T
#85
#85,5
#85,5
#85
#85
#85
#85
#85,5
24#gen T2R
#84,5
#84
#83,5
#83,5
#83,5
#83,5
#84,5
#85
28#gen R2T
#89,5
#90,5
#88,5
#88,5
#88,5
#87,5
#87,5
#88
28#gen T2R
#88
#87,5
#88
#88
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#86,5
#87
#87,5
29#gen R2T
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#91
#89
29#gen T2R
#87,5
#87,5
#87,5
#91
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#88
03#feb R2T
#82,5
#82,5
#82,5
#83
#83
#83
#83,5
#84
03#feb T2R
#81
#81
#80,5
#81
#81
#80,5
#81,5
#81
10#feb R2T
#91,5
#92,5
#95
#96
#96,5
#95,5
#96
#96,5
10#feb T2R
#89,5
#92,5
#92
#93
#93
#92
#94
#93,5
Figura 73 Estratto di alcuni valori di RSSI campionati durante le connessioni via RFID tra il reader e il tag lungo la direzione R2T e T2R Andamento$RSSI$-$ping$1$
!70$
!75$
RSSI$
!80$
!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$
20!gen$
19!gen$
18!gen$
17!gen$
16!gen$
!100$
15!gen$
!95$
Figura 74 L’intensità del segnale in direzione del tag (linea blu) è quasi identica a quella che viaggia in direzione opposta, dal tag al reader (linea rossa). Il valore dell’intensità del segnale è piuttosto elevato nonostante le attenuazioni introdotte dai vari materiali frapposti tra la fonte emittente e quella ricevente B6.2 Ghiacciaio di Indren (Gressoney La Trinité) In data 18 aprile 2014 è stata eseguita la prima installazione dei tag RFID in ambiente glaciale, per verificare il funzionamento della scheda e analizzare i dati misurati dai sensori ivi alloggiati. Le schede erano già state sottoposte a numerosi test sia in laboratorio, sia in campo aperto, sia su terreno innevato, come è stato descritto nelle sezioni precedenti della presente relazione; ognuno di essi aveva restituito risultati positivi che si voleva cercare di riprodurre nell’ambiente glaciale per il quale sono state progettate. Ogni scheda sarebbe stata verificata dal punto di visto del funzionamento generale dei componenti installati, della durata delle batterie, della capacità di misurare correttamente i parametri fisici del ghiacciaio, di memorizzarli nella flash memory, di rispondere al segnale radio del reader e di trasmettere i dati raccolti, il tutto in condizioni ambientali caratterizzate da temperature quasi sempre al di sotto di 0°C e presenza costante di ghiaccio e neve attorno all’involucro (capsula) della scheda stessa. 120 Il ghiacciaio di Indren è situato nel massiccio del Monte Rosa e la quota di installazione è circa 3275m slm. È stato scelto in quanto offre numerosi vantaggi dal punto di vista della logistica e dell’interesse scientifico che riveste nella misura del bilancio di massa. In primo luogo è accessibile attraverso gli impianti funicolari che, partendo da Staffal, giungono in meno di 45 minuti fino a Punta Indren, a poche centinaia di metri dal punto di installazione, scelto per la sua particolare conformazione pianeggiante, che offre una buona e comoda base di lavoro per le operazioni di scavo dei fori. Il ghiacciaio fa parte degli apparati glaciali tenuti sotto controllo da parte di FMS e di ARPA attraverso la misura del bilancio di massa: poter dunque integrare tali misure con i dati raccolti dai tag durante il monitoraggio automatico, potrà creare interessanti punti di partenza per aumentare la conoscenza del suo comportamento fisico e della sua evoluzione morfologica. In ultimo, la scelta è ricaduta sul ghiacciaio di Indren poiché numerose sono le stazioni meteo automatiche installate nelle vicinanze (in primo luogo quella del Passo dei Salati a quota 2970m), da cui è stato possibile attingere dati fondamentali da correlare con le misure effettuate dai sensori a bordo dei tag. Figura 75 Ubicazione tag Indren e stazioni meteo Obiettivi Come sopra già specificato, in termini più generali ci si propone di verificare il funzionamento a lungo termine dei tag in ambiente glaciale. In aggiunta, questo sito è stato utilizzato per testare il metodo di localizzazione, basato sull’integrazione di GPS, per il posizionamento in un sistema di riferimento assoluto, con la misura del RSSI, che si appoggia su un sistema di riferimento relativo, al fine di individuare con maggior precisione i tag in seguito alla loro installazione. Un ulteriore obiettivo consiste nella verifica del funzionamento del sensore di pressione in ambiente glaciale, dopo averlo positivamente testato in acqua. Inoltre, la misura del bilancio di massa del ghiacciaio dell’Indren presenta spesso delle difficoltà di interpretazione; nell’ultimo anno idrologico (2012-­‐2013), ad esempio, nessuna delle paline ablatometriche installate è stata ritrovata facendo sì che il risultato finale del bilancio di massa fosse incompleto. Il monitoraggio automatico svolto dai tag RFID rappresenta, quindi, un supporto all’attuale monitoraggio: si riuscirebbe a indagare il regime termico del ghiacciaio a diverse profondità grazie ai dati provenienti dai sensori di temperatura e arrivare a comprendere meglio le sue dinamiche evolutive. 121 Modalità di installazione La zona di intervento è prossima alla palina P2 associata al bilancio di massa, un’area relativamente pianeggiante a poca distanza (circa 300 m in linea d’aria) dalla stazione di arrivo della funicolare. P2 Stazione di arrivo funicolare Figura 76 Ubicazione tag Indren Si è provveduto ad installare un tag al limite superiore dell’interfaccia neve/ghiaccio, le altre due capsule sono state installate alla massima profondità raggiungibile con il mezzo di perforazione in dotazione (sonda a vapore). In tale occasione si è potuti arrivare ad un massimo di 4 metri poiché non solo lo strato di ghiaccio era molto superficiale (un metro dalla superficie), ma anche perché sulla lancia perforatrice era montato un ugello di dimensioni maggiori a quello impiegato per l’installazione delle paline ablatometriche, da cui il vapore fuoriesce con minore pressione per realizzare con minore efficacia, rispetto all’ugello più piccolo, un foro di diametro superiore. Al fine di determinare la profondità dell’interfaccia neve/ghiaccio è stata scavata una trincea nel manto, in quanto la misura mediante sonda era resa difficoltosa dalla compattezza dello strato da indagare. I fori sono stati eseguiti utilizzando una sonda a vapore provvista di una lancia e di un ugello (figura 61), fornito da ARPA VdA, di dimensioni sufficienti a realizzare fori del diametro adatto a inserire le capsule. 122 Figura 77 Ugello di perforazione utilizzato per realizzare i fori Ogni capsula è stata fissata con nastro americano a un filo di spago per poterla calare in fondo al foro delicatamente ed essere inoltre sicuri che non si incastrasse durante la discesa e non ruotasse attorno a se stessa, cambiando l’orientamento dell’antenna. Durante le operazioni di foratura si è proceduto a determinare le coordinate GPS del punto di installazione utilizzando uno strumento Magellan, lasciato in acquisizione a mezzo metro di distanza da ciascun foro per circa 30 minuti, per ricavare un set di coordinate utili a georiferire con precisione l’ubicazione della capsula in un sistema di riferimento assoluto. La posizione così determinata sarà utile in fase di successivi sopralluoghi per potersi portare nell’intorno del punto, a meno di un errore di circa 5m. Le coordinate del foro sono state determinate anche con un GPS manuale, indicante al momento dell’esecuzione della misura una precisione di 5m. Ogni capsula installata è stata associata ad un palina di bambù, lunga più di quanto fosse tutta la profondità del foro, in modo che fosse stabile e sporgesse dalla superficie abbastanza da essere visibile e ritrovabile, sia in caso di nevicate, sia di scioglimento del manto. Si riportano di seguito i dettagli delle installazioni: • Quota di installazione: circa 3275m • Palina n°1 con tag ID-­‐6 a 1m di profondità, geo-­‐referenziata • Palina n°2 con tag ID-­‐2 a 3m e ID-­‐10 a 4m di profondità, geo-­‐referenziata • I tag sono stati programmati in modo da effettuare una misura ogni 12 ore. • Parametri misurati dal sistema MALATRA’: temperatura, oscillazione del tag, orientamento del tag, pressione. Coordinate dei punti: • Palina 1: UTM ED50 32 T Est 411449, Nord 5083043 • Palina 2: UTM ED50 32T Est 411440, Nord 5083064 Attività eseguite A seguito dell’installazione sono stati effettuati più sopralluoghi per verificare, in periodi diversi, il funzionamento del sistema di monitoraggio e per scaricare i dati acquisiti nel tempo. 18 aprile 2014 Dopo essere stati posizionati in foro i tre sensori sono stati interrogati mediante tecnologia RFID, riscontrandone il loro effettivo funzionamento. Ognuno è stato sottoposto ad un controllo completo con 123 l’invio di comandi di ping, ai quali veniva risposto correttamente e con una determinata intensità del segnale (RSSI) di cui si prendeva nota; si sono eseguite misure in real time dei diversi sensori a bordo della scheda. 3 maggio 2014 Trascorsi 16 giorni dal momento dell’installazione, si è verificato il funzionamento del sistema. Seguendo le indicazioni fornite dal GPS, su cui erano stati preventivamente caricate le coordinate dei punti di installazione, ci si è recati nell’intorno dei fori, ancora segnalati dalle paline emergenti dal manto nevoso. Rispetto alla data di installazione, il manto nevoso che ricopriva lo strato di ghiaccio sottostante era cresciuto di 90 cm in seguito alle nevicate occorse, di conseguenza i tag 6, 2 e 10 si trovavano ad una profondità rispettivamente di 190, 390, 490 cm. La fase successiva ha previsto l’interrogazione dei tag tramite tecnologia RFID. Utilizzando un pc portatile e il software MALATRA’ Console, che gestiva un tag reader, si sono inviati segnali RF di ricerca del dispositivo. Tutti e tre i tag hanno risposto correttamente confermando il loro funzionamento. Figura 78 Ricerca tramite tecnologia RFID Sono stati scaricati i file delle misure memorizzate ed eseguite delle nuove letture in real-­‐time di diversi parametri. In seguito è stato verificato il raggio di copertura della comunicazione RFID utilizzando un’antenna direttiva (Yagi 5 elementi): il mantenimento della comunicazione RFID ha avuto esito positivo fino ad una distanza in pianta di circa di 100m. All’occasione si è tentato di stabilire una connessione con i tag dalla stazione di arrivo della funicolare (circa 300 m di distanza) riuscendo nel tentativo, ma non ottenendo un’intensità del segnale sufficientemente potente da eseguire lo scarico dei dati o la misura in real time di uno dei sensori. 124 Figura 79 Antenna Yagi Figura 80 Test di comunicazione mediante antenna Yagi 1 luglio 2014 Un secondo sopralluogo è avvenuto il 1° luglio, ad una distanza di 74 giorni dall’installazione. Il team dell’UdR si è recato sul ghiacciaio dell’Indren eseguendo un percorso orientato dalle indicazioni fornite dal GPS, è arrivato in corrispondenza della palina che identificava il foro dei tag 2 e 10; la palina associata al tag 6 risultava rimossa da alpinisti e ricollocata a monte della traccia battuta su neve. Il rilievo del manto nevoso con sonda penetrometrica ha permesso di collocare la profondità del ghiaccio a 160 cm dalla superficie, facendo risultare pertanto i tag 6, 2 e 10 rispettivamente sepolti sotto uno strato di 160, 360 e 460 cm (si ricorda che il tag 6 è ubicato all’interfaccia neve/ghiaccio). Figura 81 La palina associata ai tag 2 e 10 Figura 82 Interrogazione dei tag
125 Con il pc portatile è stata avviata l’applicazione MALATRA’ Console e si è proceduto alla ricerca mediante tecnologia RFID dei tag sepolti: i tre tag hanno risposto all’interrogazione e si è potuto quindi verificarne il funzionamento in real time lanciando comandi di “ping” e di misura istantanea di temperatura, accelerazione e nord magnetico; si sono infine scaricati i dati memorizzati in più di due mesi di monitoraggio continuo. Analisi dei dati e risultati ottenuti I dati ottenuti fanno riferimento a oltre due mesi di monitoraggio continuo e senza interruzioni, in cui, grazie ad una programmazione di un’acquisizione ogni 12 ore, si è costruito un database di più di 120 misure utili, relative al termometro, al sensore di pressione, al magnetometro e all’accelerometro. Di seguito si analizzano i dati e si riportano i risultati di questo sito test di monitoraggio in ambiente glaciale. Temperatura In fase di analisi, con l’obiettivo di stabilire come il regime termico del ghiaccio e della neve evolve in relazione alla temperatura dell’aria, i dati di temperatura dei tag sono stati comparati in prima battuta con quelli provenienti dalle osservazioni nivometeorologiche delle stazioni localizzate al Lago Gabiet (LG), presso Gressoney La Trinité, ad una quota di 2380m e a circa 5km dal ghiacciaio dell’Indren, e a Cime Bianche (CB) in Valtournenche, ad una quota di 3100m e a circa 12km dal ghiacciaio dell’Indren. Successivamente l’analisi è stata integrata anche con la stazione automatica del Passo dei Salati (PdS) geograficamente più prossima alla posizione dei tag, ubicata ad una quota di 2970 m e gestita dalla società Monterosa-­‐ski, che è diventata la stazione di riferimento per quanto riguarda le temperature registrate, sostituendo quella di Cime Bianche, più distante e soprattutto collocata in una valle parallela a quella interessata dal monitoraggio in oggetto. Il periodo che va dal 18 aprile al 19 maggio viene anche analizzato separatamente in quanto sono disponibili le misure dell’altezza del manto nevoso e dello spessore di neve fresca caduta dopo ogni precipitazione nevosa, presso la stazione LG (il rilievo è stato interrotto il 19 maggio per assenza di neve). Pertanto ai fini di una maggiore corretta nell’interpretazione dei dati ottenuti dal monitoraggio automatico via RFID, si sono utilizzati come base di riscontro analitico i dati della stazione del lago Gabiet per l’altezza del manto nevoso e dell’accumulo di neve fresca e i dati della stazione del passo dei Salati per le temperature dell’aria. Sulla base delle misure dei tag RFID, si è osservata (figura 65) una fase iniziale di variazione termica, presumibilmente dovuta al volume di ghiaccio e neve dei due fori che è ritornato alle sue condizioni originarie dopo l’installazione delle capsule. Dopo questo primo intervallo, la temperatura si è stabilizzata e non sembra più essere influenzata dalla temperatura dell’aria, in particolare per i tag 2 e 10, installati in ghiaccio, che mantengono tra di loro una differenza costante di circa 1°C fino a tutto il 9 maggio. Il tag 6, installato in neve, mostra un piccolo incremento il 26 aprile, in corrispondenza di un leggero aumento della temperatura dell’aria, in un periodo privo di precipitazioni nevose. Dopo il 27 aprile, anche il tag 6 si stabilizza, nonostante i cambiamenti nella temperatura dell’aria; ciò può essere dovuto ad un incremento della copertura nevosa sopra la capsula, che comporta l’isolamento termico da parte della massa di neve. È dal 10 maggio che i due tag più superficiali, il 2 e il 6, hanno manifestato un improvviso aumento di temperatura (circa 1°C) che potrebbe essere correlato con la diminuzione dell’altezza del manto; tuttavia non bisogna trascurare la differenza di quota –quasi 1000 m-­‐ esistente tra la stazione LG e i due fori dell’installazione per i quali si può tranquillamente ipotizzare, sulla base delle temperature di PdS, che la riduzione dello spessore del manto sia trascurabile, come peraltro testimoniato durante il sopralluogo del 1° luglio. 126 Tag"6"RFID"
Tag"10"RFID"
Altezza"manto"nevoso"LG"
2,0"
300"
Tag"2"RFID"
PdS"T'media"
250"
Temperatura'[°C]'
0,0"
200"
'2,0"
150"
'4,0"
100"
'6,0"
50"
20/05/14"
17/05/14"
14/05/14"
11/05/14"
08/05/14"
05/05/14"
02/05/14"
29/04/14"
26/04/14"
23/04/14"
20/04/14"
17/04/14"
14/04/14"
'8,0"
'10,0"
Altezza'manto'nevoso'[cm]'
4,0"
0"
Figura 83 Temperature dei tag (linee rossa, blu e verde) messa in relazione con lo spessore del manto nevoso rilevato presso la stazione sita in località lago Gabiet -­‐LG-­‐ (linea tratteggiata arancione) e con le temperature registrate dalla stazione automatica del Passo dei Salati -­‐PdS-­‐ (linea grigia) 12,0%
Tag%6%RFID%
Tag%2%RFID%
10,0%
Tag%10%RFID%
8,0%
PdS%T!media%
Poli.%(PdS%T!media)%
6,0%
Temperatura)[°C])
4,0%
2,0%
0,0%
!2,0%
!4,0%
!6,0%
05/07/14%
30/06/14%
25/06/14%
20/06/14%
15/06/14%
10/06/14%
05/06/14%
31/05/14%
26/05/14%
21/05/14%
16/05/14%
11/05/14%
06/05/14%
01/05/14%
26/04/14%
21/04/14%
16/04/14%
!10,0%
11/04/14%
!8,0%
Figura 84 Temperature dei tag (linee rossa, blu e verde) messe in correlazione con la temperatura dell’aria registrata dalla stazione automatica del Passo dei Salati a quota 2970 m (linea grigia). La linea grigia tratteggiata rappresenta la polinomiale calcolata sulle misure della temperatura dell’aria e mostra un trend di aumento della temperatura media giornaliera con l’avanzare della primavera e l’inizio dell’estate Il grafico (figura 68) illustra l’andamento delle temperature misurate dai tag 2, 6 e 10 confrontato con le temperature medie giornaliere registrate dalla stazione automatica del Passo dei Salati (PdS), dalle quali è stata ricavata una linea di tendenza polinomiale che mostra come dal 18 aprile ci sia stato un graduale innalzamento generale della temperatura dell’aria, con un picco localizzato tra il 7 e il 16 giugno. 127 A cominciare dal 1° giugno i tag 2 e 6, i più superficiali e dunque maggiormente soggetti alle variazioni termiche dell’atmosfera sovrastante, hanno registrato un incremento di temperatura di circa 1°C, dopo il quale i valori si sono mantenuti praticamente inalterati, intorno a -­‐0,10°C per il tag 6 e 1°C per il tag 2. Soltanto il tag 10, installato a 4 m di profondità, non sembra aver manifestato una correlazione con la variazione delle temperature atmosferiche, infatti si evidenzia una graduale ma molto lenta risalita delle temperature fino a valori prossimi a -­‐2°C. È stato dimostrato [51], in un’esperienza sul medesimo ghiacciaio volta a determinare gli effetti del manto nevoso sulle temperature registrate all’interfaccia neve/ghiaccio, che sono necessari almeno 100 cm di copertura nevosa per isolare lo strato dalle influenze della temperatura dell’aria e perché la temperatura alla base dell’interfaccia si mantenga stabile e intorno a -­‐5°C durante il periodo invernale e intorno ai -­‐2°C durante la primavera (inverni 2002-­‐2003, 2005-­‐2006). Da ciò è possibile stabilire un nesso causale con l’esperienza di GLACIES in cui si è dimostrato che, in periodo primaverile, finché il manto nevoso si è mantenuto al di sopra dei 100 cm di spessore (10 maggio; dati del lago Gabiet), i sensori hanno registrato temperature comprese tra -­‐2°C (tag 2 e 6) e -­‐3°C (tag 10) e che tali temperature sono aumentate fino a stabilizzarsi su valori compresi tra 1°C (tag 2) e 0°C (tag 6), per quanto riguarda i tag più superficiali e -­‐2°C relativamente al tag 10 ad una profondità maggiore di 100cm. Pressione La sperimentazione del monitoraggio automatico dell’Indren ha avuto come scopo anche quello di verificare il funzionamento del sensore di pressione in ambiente glaciale, equipaggiato sulla PCB a bordo del tag 6. Conoscendo la profondità di installazione e la densità dello strato di neve, misurata dopo aver scavato una trincea, è stato possibile determinare il peso dello strato nevoso sovrastante la capsula e confrontare tale valore con quello misurato dal sensore. Dal test effettuato in acqua era risultato che il sensore era in grado di apprezzare anche minime variazioni di profondità, dell’ordine dei centimetri. È risultato invece dai dati acquisiti durante il monitoraggio in ghiacciaio, che il valore di pressione atteso non è stato verificato, ricavando misure non compatibili con un accumulo di neve variabile da 100 a 190cm. Si deve pertanto concludere che il sensore utilizzato è adatto a misurare con precisione le pressioni di gas e di liquidi, come appunto verificato sperimentalmente con il test in acqua, tuttavia non risulta adeguato a misurare il peso di un materiale come la neve o il ghiaccio, che per loro natura non riescono a raggiungere la membrana del sensore; infatti è presumibile che i cristalli della neve, aggregati, non riescano a invadere la camera tronco-­‐conica tipica di tali sensori e ad esercitare la forza necessaria per una corretta rilevazione. Il risultato che si ottiene è quello di un tappo, ovvero di un ponte sospeso che limita o impedisce la distribuzione uniforme delle forze. Una simile problematica era emersa in occasione di colloqui informali con i ricercatori del progetto “Rischio ricerca e innovazione” dell’Unità di ricerca MRRTeam (Mountain Risk Research Team, di cui Fondazione Montagna sicura è partner), all’interno del quale si sta testando uno strumento sperimentale gravimetrico per la misura di densità e spessore del manto nevoso costituito da un sistema di celle di carico funzionanti in parallelo e distribuite sul terreno in modo da garantire una copertura (statisticamente) uniforme di tutte le scale di variabilità caratteristiche del manto. Per ovviare a questo problema sono state valutate, nella bibliografia scientifica dedicata all’argomento della misura della pressione della neve, altre tipologie di sensore, ma la ricerca non ha dato esiti positivi; tuttavia, le prove effettuate con successo in acqua, suggeriscono l’impiego di tale sensoristica nel monitoraggio di invasi idrici, quali laghi glaciali (si veda la sezione C.5). B6.3 Ghiacciaio Toula (Courmayeur) In data 12 giugno 2014 il team di GLACIES si è recato sul ghiacciaio del Toula per procedere all’installazione di quattro tag RFID, allo scopo di verificare il funzionamento della scheda e analizzare i dati misurati dai sensori alloggiati su di essa. Il ghiacciaio è situato nel massiccio del Monte Bianco ed ha un’esposizione SSE. 128 Figura 85 Ubicazione tag Toula Figura 86 Foto aerea del ghiacciaio (2005) 129 Figura 87 Il ghiacciaio del Toula come si presentava a luglio 2013 Obiettivi Il ghiacciaio del Toula Esso fa parte dei ghiacciai monitorati da Fondazione Montagna sicura per le misure del bilancio di massa, perciò risulta piuttosto interessante avere a disposizione dati aggiuntivi per comprendere meglio l’evoluzione dell’apparato glaciale. Modalità di installazione Il piano di installazione originario prevedeva che i quattro tag fossero posizionati in tre fori differenti, corrispondenti a tre delle quattro paline ablatometriche presenti sul ghiacciaio per le misure del bilancio di massa. La quarta palina, denominata P4, non è stata presa in considerazione in quanto posizionata in un’area del ghiacciaio con condizioni di terreno e climatiche del tutto particolari, trovandosi all’interno di una conca riparata. Nel primo foro si sarebbero dovuti posizionati due tag, il più profondo in ghiaccio e il secondo all’interfaccia neve/ghiaccio. Negli altri fori i tag si sarebbero installati alla massima profondità, in ghiaccio. Di seguito le coordinate, espresse nel sistema UTM 32, dei punti riferiti alle quattro paline citate: Nome Est Nord P1 338822 5078979 P2 338991 5078903 P3 339002 5078621 P4 339337 5078578 130 P1 P2 P3 P4 Figura 88 Localizzazione delle paline ablatometriche La reale installazione ha invece subito alcune modifiche, di seguito riportate, insieme alle motivazioni che le hanno suggerite; si segnala altresì che le paline ablatometriche dell’anno precedente (2013) non sono state rinvenute a causa dell’ancora elevato spessore del manto nevoso che le ricopriva completamente. La prima palina (P1), a causa delle cattive condizioni del terreno (crepacci e pericolo di caduta massi dalla parete sovrastante) che non avrebbero garantito la sicurezza del personale e delle attività di lavoro, non è stato possibile raggiungerla, e si è perciò optato di modificare il piano di installazione posizionando due capsule in prossimità della seconda palina (P2) e altre due in prossimità della terza (P3). In entrambi i casi si è proceduto a perforare il manto nevoso e il ghiaccio fino ad una profondità di 8m, quella massima raggiungibile con l’ausilio della sonda a vapore in dotazione. La realizzazione del foro ha seguito la medesima procedura adottata sul ghiacciaio dell’Indren, praticando un primo foro con un ugello del diametro di 2,5 cm, utile a facilitare e di conseguenza a velocizzare l’alesatura successiva con un ugello del diametro adatto a installare le capsule senza che nella discesa si verifichino attriti contro le pareti del foro. In ogni foro due dei quattro tag sono stati fatti calare fino al fondo, aiutandosi con uno spago preventivamente applicato alle capsule per evitare che durante la caduta si danneggiassero, i restanti tag sono stati posizionati appena al di sopra dell’interfaccia neve ghiaccio, misurata grazie ad una sonda della lunghezza di 5m. In corrispondenza di ciascun foro è stata applicata una palina di 4 metri, che funga da riscontro visivo in occasione dei successivi sopralluoghi che saranno effettuati per verificare il funzionamento del sistema e scaricare i dati fino ad allora memorizzati; inoltre ogni foro è stato georeferenziato utilizzando uno strumento Garmin, di cui di seguito si riportano le coordinate UTM e la quota. 131 Nome Est Nord Quota A01 338983 5078904 3127 A02 339015 5078639 3059 La configurazione finale è la seguente: Palina Tag ID Profondità (cm) Materiale Quota (m) P2 36 800 Ghiaccio 3127 P2 34 320 Neve 3127 P3 37 800 Ghiaccio 3059 P3 31 300 Neve 3059 I parametri misurati dai quattro sensori sono la temperatura, l’orientamento e l’oscillazione del tag. I tag sono programmati per effettuare una misura ogni 12 ore. Si prevede che qualora le capsule non emergeranno a causa dello scioglimento del manto nevoso, possano garantire una continuità di acquisizione pari a circa 5 anni. Figura 89 Un momento della perforazione con la sonda a vapore Attività eseguite Il 25 luglio, in occasione della prevista campagna intermedia di misura del bilancio di massa del ghiacciaio, trascorsi 43 giorni dal momento dell’installazione, il team di GLACIES si è nuovamente recato sul sito per verificare il funzionamento del sistema. Seguendo le indicazioni fornite dal GPS, su cui erano state preventivamente caricate le coordinate dei punti di installazione, ci si è recati nell’intorno dei due fori, ancora segnalati dalle paline emergenti dal manto nevoso. 132 Palina P2 Figura 90 Palina P2 associata ai tag 36 e 34 Utilizzando un pc portatile e il software MALATRA’ Console, che gestiva un tag reader, si sono inviati segnali RF di ricerca del dispositivo. Tutti e quattro i tag hanno risposto correttamente confermando il loro attuale funzionamento. Sono stati scaricati i file delle misure memorizzate ed eseguite delle nuove in real-­‐time e di diversi parametri. Analisi dei dati e risultati ottenuti I dati ottenuti fanno riferimento a 43 giorni di monitoraggio continuo e senza interruzioni, in cui, grazie ad una programmazione di un’acquisizione ogni 12 ore, si è costruito un database di più di 80 misure utili, relative al termometro, al magnetometro e all’accelerometro. Di seguito si analizzano i dati e si riportano i risultati di questo secondo test di monitoraggio in ambiente glaciale. Temperatura Le temperature registrate durante la prima parte dell’estate 2014 (dal 12 giugno al 25 luglio) evidenziano due trend analoghi. Ognuno di essi sembra potersi associare ad una quota di installazione specifica, infatti si nota come all’interno del foro con la palina 2 (grafico di figura 74), posizionato ad una quota di 3127m, la temperatura sia compresa tra un valore di 0,3°C (tag 34 in neve) ad una profondità di 3m dalla superficie ed uno di 0,5°C alla profondità di 8m (tag 36 in ghiaccio). Tali valori si sono mantenuti costanti a partire dall’installazione del 12 giugno, senza variazioni di rilievo. Analogamente, nel foro con la palina 3 (grafico di figura 75), a quota 3059m, si è verificato il medesimo fenomeno, per cui i due sensori hanno registrato dei valori di temperatura pressoché costanti e pari a 1,2°C per il tag 31 a 3m di profondità, in neve e 1,3°C per il tag 37 a 8m dalla superficie, in ghiaccio. Tali risultati richiamano le conclusioni proposte da [50] in cui si ricava che, durante il periodo invernale e quello primaverile, una copertura nevosa di almeno 100cm assicura un mantenimento delle temperature rispettivamente di -­‐5°C e -­‐2°C. Infatti l’attuale monitoraggio, essendo stato avviato in tarda primavera e con i primi dati relativi alla prima metà dell’estate 2014, pur non mostrando temperature al di sotto dello zero termico, evidenzia che esiste un isolamento da parte della neve e del ghiaccio che impedisce alla temperatura atmosferica e alle oscillazioni a cui è soggetta, di influenzare in alcun modo il regime termico dei sensori sepolti nei due fori. 133 0,7#
0,6#
Temperatura)[°C])
0,5#
0,4#
0,3#
0,2#
0,1#
30/07/14#
25/07/14#
20/07/14#
15/07/14#
10/07/14#
05/07/14#
30/06/14#
25/06/14#
20/06/14#
15/06/14#
Tag)34)RFID)
10/06/14#
0,0#
Tag)36)RFID)
Figura 91 Temperature dei tag 36 e 34 installati nel foro con palina P2 (quota 3127m) 1,4$
Temperatura)[°C])
1,3$
1,2$
1,1$
Tag)37)RFID)
30/07/14$
25/07/14$
20/07/14$
15/07/14$
10/07/14$
05/07/14$
30/06/14$
25/06/14$
20/06/14$
15/06/14$
Tag)31)RFID)
10/06/14$
1,0$
Figura 92 Temperature dei tag 37 e 31 installati nel foro con palina P3 (quota 3059m) B7 Disseminazione dei risultati L’UdR si è prodigata nel corso del progetto a diffondere l’attività di ricerca eseguita ed i risultati ottenuti, sia all’interno della comunità scientifica, partecipando ad alcuni tra i più importanti eventi scientifici nell’ambito della glaciologia, sia presso un pubblico più ampio, di “non esperti”. In particolare, la partecipazione a convegni scientifici ha permesso da un lato di far conoscere i risultati ottenuti, dall’altra di confrontarsi con altri ricercatori del settore, ricevendo utili spunti per l’avanzamento delle attività del progetto e per la possibile applicazione della medesima tecnologia ad altre finalità di misura o ad altri ambiti. I canali di comunicazione usati hanno spaziato dagli strumenti offerti dal web, dalla carta stampata, fino alla televisione. 134 Per quanto riguarda gli eventi scientifici, l’UdR ha partecipato all'Alpine Glaciology Meeting, convegno che riunisce annualmente i maggiori glaciologi che operano in contesto alpino, nle 2013 a Grenoble (14-­‐15/02/2013) e nel 2014 a Innsbruck (27-­‐28/02/2014), presentando un poster intitolato "RFID technology experimental employ on glacier monitoring”. In questo sono state illustrate le attività svolte per la caratterizzazione del tag RFID e i primi risultati provenienti dall'installazione presso il campo neve di Villa Cameron. L’UdR ha in seguito partecipato, con un poster dal titolo “RFID technology applied to glacial environment: MALATRA electronic system design and experimental data”, al Symposium on Contribution of Glaciers and Ice Sheets to Sea Level Change, che si è tenuto a Chamonix dal 26 al 30 maggio 2014, in cui sono stati presentati il system design della scheda RFID e l’installazione in ambiente glaciale di tre prototipi corredata dai risultati ottenuti nei primi quindici giorni di monitoraggio attivo. In entrambi gli eventi i poster hanno ottenuto un buon successo, fornendo l’opportunità di dimostrare che la tecnologia RFID in futuro potrà essere utilizzata con profitto per attività in ambienti ostili come il monitoraggio in continuo dei ghiacciai, limitando l’intervento umano. Per quanto riguarda l’ambito elettrotecnico e delle telecomunicazione è stato sottomesso un articolo scientifico dal titolo “An ad-­‐hoc RFID tag for glaciers monitoring”, alla Topical Conference on Antenna and Propagation in Wireless Communications, che si è tenuta a Palm Beach, Aruba dal 3-­‐9 agosto 2014, incentrata sullo sviluppo elettronico delle schede, la comunicazione radio RFID ed i risultati conseguiti. Il medesimo articolo scientifico verrà pubblicato su IEEE Xplorer. Nei primi mesi di attività si è inteso dare il più possibile visibilità all’Unità di ricerca GLACIES ed al progetto MALATRA presentandoli in diverse occasioni, quali le riunioni annuali della Cabina di regia dei ghiacciai valdostani (26/10/2012 e 29/11/2013) – cellula che riunisce tutti gli enti che operano sui ghiacciai valdostani -­‐ ed il convegno finale del progetto Alcotra GlaRiskAlp-­‐ Rischi glaciali nelle Alpi occidentali (11/01/2013) per il quale è stata predisposta una scheda sintetica del progetto da consegnare a tutti i partecipanti. Per la comunicazione via web, come stabilito nello studio di fattibilità, Fondazione Montagna sicura ed EnviSens Technologies hanno creato, ciascuna sul proprio sito internet, una pagina dedicata all’UdR, in cui sono confluiti tutti i report redatti, i poster scientifici, le notizie più importanti riguardanti i risultati conseguiti e una galleria di immagini. Inoltre Fondazione ha presentato l’UdR nella propria newsletter dedicata a notizie significative riguardanti le attività in corso ed eventi in previsione, che viene inviata mensilmente ad una mailing list di più di 600 persone. Oltre a quanto previsto inizialmente si è avuto l’occasione di presentare le attività del progetto MALATRA in due ulteriori occasioni rivolte ad un pubblico più allargato. Il 12 giugno 2014, nel corso dell’installazione di alcuni tag RFID nel ghiacciaio del Toula, il team di lavoro è stato affiancato da una troupe della Rai della Valle d’Aosta per realizzare un servizio, andato poi in onda sul telegiornale regionale il 23 giugno. Inoltre, a seguito di candidatura, l’UdR ha vinto il Premio Smart City nell’ambito della seconda edizione di Smau, il Salone per le Macchine e Attrezzature per l'Ufficio di Torino; il premio, ritirato dal responsabile scientifico dell’UdR, prof. Perona in una cerimonia pubblica il 14 maggio, riguardava le misure innovative adottate da pubbliche amministrazioni e da enti locali per migliorare la vita dei cittadini. È stata data notizia della vincita sull’ANSA della VdA e sul settimanale “La Vallée” del 17 maggio. 135 C) Sintesi delle attività e dei risultati con riferimento allo Studio di fattibilità C.1 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 inizialmente un importante lavoro di studio ed aggiornamento bibliografico che ha riguardato non solo le proprietà fisiche del ghiaccio, ma anche i numerosi progetti di reti di sensori ambientali che hanno preso corpo negli ultimi anni (progetto GlacsWeb dell’Università di Southampton). In seguito è stata effettuata una ricerca bibliografica per indagare 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. Lo studio di letteratura scientifica è proseguito durante lo svolgimento dell’intero progetto in quanto trattandosi di un progetto di ricerca e sviluppo si tratta di un’attività imprescindibile per potersi posizionare rispetto al panorama attuale e derivare le necessarie conoscenze per poter implementare la realizzazione dei dispositivi e utilizzarli operativamente. WP 2: Scelta dei siti di monitoraggio; raccolta dati in campo. Al fine di individuare i possibili siti di monitoraggio sono stati esaminati i dati glaciologici a disposizione, sono state analizzate nel dettaglio le modalità operative e di trattamento delle misure adottate attualmente e si è inoltre partecipato alle attività di rilievo di bilancio di massa. Sulla base dei confronti con gli esperti glaciologi di FMS e ARPA si sono definiti i siti più adatti all’installazione dei tag RFID per i test, individuando il campo neve di Villa Cameron come sito di sperimentazione durante la stagione invernale 2013-­‐2014 su terreno innevato ed i ghiacciai dell’Indren e del Toula come siti di sperimentazione del monitoraggio in ambito glaciale; le scelte sono state dettate dall’agevole e frequente raggiungibilità di questi due ghiacciai, nonché dal fatto che su questi apparati FMS e ARPA conducono da alcuni anni misure del bilancio di massa. 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. Sono state individuate le grandezze da misurare, i range, le precisioni e le modalità operative di installazione ed utilizzo del sistema MALATRA; sono state definite tutte le specifiche dei componenti del sistema, confluite nel “Deliverable WP3 – Specifiche tecniche di sistema” incluso nella presente relazione (frequenza dell’antenna, caratteristiche dei sensori, capsula contenitrice, …). Il documento, concluso come da cronoprogramma entro luglio 2013, è stato in seguito aggiornato con le modifiche apportate al layout della scheda PCB a seguito dei primi test eseguiti. WP 4: Sviluppo dei sensori. Durante il WP4 sono state sviluppate tutte le componenti elettroniche e software ono state testate a distanza ravvicinata le due tipologie di antenne individuate ed è stata sottoposta a prova meccanica e fisica la capsula contenitrice. Si sono sviluppate diverse versioni del firmware: -­‐ 1. Firmware di test: necessario per validare il funzionamento di tutti i componenti del PCB in fase di produzione; -­‐ 2. Firmware per prove radio: firmware sviluppato per eseguire prove di localizzazione in aria e con le capsule in ghiaccio/neve; -­‐ 3. Firmware operativo: per l’impiego operativo in campo è stato sviluppata la business logic del firmware in modo da implementare le funzioni di raccolta dati ad intervalli di tempo programmabili, permettere lo scaricamento dei dati via radio e la localizzazione del tag medesimo. 136 -­‐
4. Firmware del reader: si è programmato il medesimo PCB utilizzato per i tag in modo da eseguire le funzionalità del reader e fare da interfaccia radio tra il pc ed i tag (connesso al pc mediante interfaccia RS232 e USB). 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. E’ stato finalizzato lo sviluppo del software per PC per la programmazione, la lettura dei dati dei tag in campo e la localizzazione dei tag medesimi. 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. In tale fase è stato possibile apportare miglioramenti al progetto delle schede PCB e si è deciso di intraprendere la progettazione e lo sviluppo di una scheda RFID funzionante a 169 MHz per approfondire aspetti propagativi anche a frequenze più basse. Tale scheda non implementa le funzioni di business logic, ma solamente le funzionalità radio necessarie per condurre test in campo aperto. Una prima campagna di test sul terreno della durata di un giorno è stata effettuata a Punta Helbronner per verificare la comunicazione dei tag calati a varia profondità con il reader in superficie. 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, che consentiranno un minor consumo di energia in fase di funzionamento e una più ottimale comunicazione radio tra tag e reader. È stato realizzato, presso il campo neve di Villa Cameron, un test funzionale della durata di circa tre mesi (19 dicembre – 10 marzo) per verificare la continuità delle acquisizioni, la comunicazione radio e la tenuta stagna delle capsule contenitrici, nonché l’attendibilità e la precisione delle misure di temperatura e pressione della neve. Il 18 aprile il primo monitoraggio su terreno glaciale è stato avviato sul ghiacciaio dell’Indren (Gressoney-­‐La-­‐Trinité), sul massiccio del Monte Rosa, con l’installazione di tre tag. Se ne è verificato il corretto funzionamento nel corso di due sopralluoghi avvenuti il 3 maggio (15 giorni) e il 1° luglio (74 giorni, circa due mesi e mezzo). L’11 giugno, quattro tag sono stati installati sul ghiacciaio del Toula, sul massiccio del Monte Bianco; in data 25 luglio (a distanza di circa un mese e mezzo) si è tornati in sito e si è potuto constatare il corretto funzionamento ed effettuare il download dei dati. WP 6: Analisi dei dati raccolti. L’analisi dei dati è stata effettuata su tre sperimentazioni di monitoraggio diverse, una su terreno innevato (campo neve di Villa Cameron) e due in ambito glaciale (ghiacciai dell’Indren e del Toula). • Campo neve di Villa Cameron: sono stati raccolti dati per 81 giorni consecutivi durante i quali le misure dei sensori sono state affiancate da misure analogiche e manuali di altezza del manto nevoso, di temperatura della neve e altri parametri relativi alla densità e caratteristiche della neve. Si è dimostrato che la precisione di misura della PT1000 è inferiore a 0,5°C. • Ghiacciaio dell’Indren: i dati di temperatura raccolti in oltre due mesi di monitoraggio sono stati correlati con quelli provenienti dalle due stazioni meteo automatiche poste nelle vicinanze (Passo dei Salati e Lago Gabiet), riscontrando che l’influenza della temperatura atmosferica si manifesta qualora lo spessore del manto nevoso scenda al di sotto dei 100cm. Inoltre sono state effettuate prove di localizzazione che hanno portato ad una determinazione della posizione in pianta ed in profondità del tag. • Ghiacciaio del Toula: i dati raccolti mostrano come la temperatura rilevata all’interno dei due fori realizzati, all’interno di ognuno dei quali sono stati installati due tag, si mantenga pressoché costante e non è soggetta all’influenza della temperatura atmosferica. 137 WP 7: Disseminazione dei risultati. Si riassumono di seguito in forma schematica i contributi preparati e le occasioni in cui è stata data visibilità all’UdR ed ai risultati ottenuti col progetto MALATRA. Eventi scientifici Oggetto Evento Data Luogo Articolo in atti del convegno “An ad-­‐hoc Topical Conference on 3-­‐9 agosto 2014 Aruba RFID tag for glaciers monitoring” Antenna and Propagation in Wireless Communications Poster scientifico “RFID technology Symposium on 26-­‐30 maggio Chamonix applied to glacial environment: MALATRA Contribution of Glaciers 2014 electronic system design and and Ice Sheets to Sea experimental data” Level Change Poster scientifico “RFID technology Alpine Glaciology 27-­‐28 febbraio Innsbruck experimental employ on glacier Meeting 2014 monitoring” Presentazione dei primi risultati 10 anni di Ghiaccio -­‐ 29 novembre Courmayeur dell’attività dell’UdR con il progetto Cabina di Regia dei 2013 MALATRA Ghiacciai Valdostani Presentazione dell’UdR Cabina di Regia dei 26 ottobre 2012 Courmayeur Ghiacciai Valdostani Pubblicazioni scientifiche Titolo Autori Pubblicazione “An ad-­‐hoc RFID tag for glaciers monitoring” O. Rorato, G. Greco, S. Bertoldo, C. IEEE Xplore Lucianaz, M. Allegretti, M. Curtaz, A. Roasio, S. Barone, G. Perona Web Oggetto Contenuto Pagina web sul sito di Fondazione Montagna sicura Descrizione del progetto, galleria immagini, report, poster Pagina web sul sito di EnviSens Technologies Descrizione del progetto, galleria immagini, report, poster Newsletter di Fondazione Montagna sicura Annuncio dell’avvio delle attività dell’UdR Riconoscimenti Oggetto Data Luogo Premio SMAU Smart City 14 maggio 2014 Torino finalista del Premio SMAU Smart Communities 23 ottobre 2014 Milano WP 8: Automonitoraggio Sono state redatte complessivamente quattro relazioni semestrali nel corso delle attività dell’UdR, di cui la seconda ha rappresentato la prima relazione annuale, mentre la quarta costituisce la presente relazione tecnica finale. La relazione tecnica annuale (II semestrale), prevista dal bando, in cui si sono riportate nel dettaglio tutte le attività svolte nel primo anno dall’avvio del progetto ed i risultati conseguiti, è stata redatta e consegnata alla struttura preposta della Regione autonoma Valle d’Aosta in data 21 ottobre 2013. 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. 138 Come previsto dallo studio di fattibilità sono state organizzate con frequenza circa semestrale le riunioni dell’Unità di ricerca a cui, oltre al team più attivamente coinvolto nel progetto MALATRA, costituito da risorse di FMS ed EST, hanno partecipato altri componenti dell’UdR (si allegano i verbali): • 13 maggio 2013 presso Fondazione Montagna sicura a Courmayeur; • 25 settembre 2013 presso Fondazione Montagna sicura a Courmayeur; • 10 marzo 2014 presso EnviSens Technologies a Quart; • 28 agosto 2014 presso EnviSens Technologies a Quart. Inoltre, periodiche riunioni più ristrette si sono tenute tra i ricercatori di EST, FMS e l’ing. Salvatore Barone, tecnologo di ricerca dell’UdR con borsa FSE, volte a programmare più nel dettaglio le attività e ad esaminare e discutere i risultati di volta in volta ottenuti. C.2 Scostamenti rispetto allo studio di fattibilità Le attività, che nello studio di fattibilità erano previste aver inizio a agosto 2012, hanno subito una ridefinizione di timing a causa del ritardo dell'avvio del progetto rispetto a quanto inizialmente pianificato. In particolare siccome era necessario mantenere la stagionalità delle operazioni sul campo (come sottolineato nello Studio di fattibilità) è stato necessario rimodulare i tempi e prevedere dei test alternativi in campo (inserendo dei test anche in inverno). Il planning delle attività, esaminato congiuntamente ai referenti di ATTIVA e della Struttura Ricerca, innovazione e qualità durante il primo audit, del 4 luglio 2013, era stato aggiornato. Il ritardo inizialmente accumulato a causa dei problemi nell’individuazione delle risorse da dedicare al progetto mediante borsa FSE, è stato colmato grazie al coinvolgimento di nuovo personale, da parte di EnviSens Technologies, nelle persone degli ingegneri Giampaolo Greco, Eliana Vittaz e Pierlugi Spertino. In sintesi, non si è potuto rispettare le tempistiche di installazione inizialmente stabilite per la perdita di una stagionalità, ma i risultati conseguiti sono in linea con gli obiettivi fissati nello studio di fattibilità. C.3 Risultati conseguiti Con riferimento agli obiettivi scientifici e tecnologici specificati nello studio di fattibilità si riportano sinteticamente i risultati conseguiti nel corso dell’intero progetto e dettagliati nella parte B della presente relazione. WP3: realizzazione di un documento contenente tutte le specifiche del sistema Come stabilito dal crono programma, entro fine giugno 2013, è stato definito e completato il documento “Deliverable WP3 – Specifiche tecniche di sistema”, contenente le specifiche di tutti i componenti del sistema ideato. A seguito dei primi test e del nuovo sviluppo del layout della PCB il documento è stato aggiornato a luglio 2014. WP4: realizzazione di due reader (scheda hardware con front-­‐end wireless ed interfaccia wireless-­‐bluetooth verso PC), realizzazione di 20 breadboard-­‐RFID funzionanti con sensori attivi. Lo sviluppo dei sensori prevede un’attività legata allo sviluppo hardware, comprendente la progettazione funzionale delle schede, lo studio della compatibilità EM dei componenti, il disegno del layout, lo stampaggio e l’assemblaggio (circa 3 mesi). Lo sviluppo software prevede, invece, la realizzazione dei firmware dei singoli tag e del reader, oltre al software per l’acquisizione e la gestione dei dati (circa 3 mesi). A conclusione verranno assemblate le varie parti e seguirà una fase di debug per la verifica del funzionamento dei componenti (2 mesi). Le attività correlato con il WP4 sono dettagliate sinteticamente nei punti sottostanti: • La caratterizzazione del tag ha previsto: o test di misure RF in campo libero attraverso il rilevamento dell’indicatore RSSI o determinazione del valore di RSSI o misure in spazio libero – diga di Place Moulin o misure in spazio libero – Grand Place (Pollein) o test di misure RF con tag posizionato su ghiacciaio • La caratterizzazione del PCB ha previsto: 139 •
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o analisi del modulo radio o analisi del componente antenna o determinazione dell’impedenza dell'antenna elicoidale o posizionamento del tag RFID tramite misure di potenza ricevuta o caratterizzazione del canale di comunicazione o determinazione del diagramma di irradiazione o determinazione della precisione della localizzazione con misura potenza ricevuta o caratterizzazione del sensore di temperatura in camera climatica o caratterizzazione del sensore di pressione o taratura dell’accelerometro e del magnetometro o determinazione dei consumi Progettazione del nuovo layout PCB a seguito de Test di durata e di affidabilità delle misure o analisi dei valori di temperatura misurati o analisi dell’attenuazione del segnale Progettazione, sviluppo e test di schede PCB da 169 MHz Tuning driver; Sviluppo business logic; Correzione dei PCB e conseguente produzione di nuove schede. La spesa sostenuta per la realizzazione di ciascun tag è dettagliata nella tabella sottostante in cui il costo totale è ripartito nelle tre voci principali che rappresentano anche le tre fasi di lavorazione di una scheda, a partire dall’acquisto dei componenti elettronici che la compongono, fino alla produzione dei circuiti stampati, per finire con l’assemblaggio dei suddetti componenti sulla PCB. Si sottolinea che tali costi sono relativi a un prodotto sperimentale che è stato realizzato in quantità ridotte e per tale motivo è auspicabile che si riducano fino ad un livello molto competitivo nel caso in cui verranno prodotti in grandi quantità da commercializzare, qualora si manifesti un vivo interesse nel monitoraggio in ambiente glaciale mediante tecnologia RFID. Voce di costo Costo Componenti elettronici 70€ Produzione di schede PCB 45€ Assemblaggio di schede PCB 65€ Totale 180€ Sono stati realizzati in totale due reader completamente funzionanti e più di venti tag utilizzati sia per le sperimentazioni in laboratorio, sia per quelle in campo, come specificato nel paragrafo successivo (WP5). WP5: raccolta dei dati dall’80% almeno delle schede messe in campo. Per la sperimentazione in campo si realizzeranno dai 10 ai 15 esemplari a seconda dello scenario La sperimentazione in campo è consistita in quattro differenti installazioni, di cui una su terreno innevato e tre su terreno glaciale (ghiacciaio), per un totale di 12 tags RFID, come riportato sinteticamente nella tabella sottostante: N° tags Tipo di terreno Ubicazione Tipologia di dati raccolti installati 3 Neve Campo neve di Villa Cameron Misure dei sensori e valori di RSSI 2 Ghiacciaio Punta Helbronner Valori di RSSI 3 Ghiacciaio Ghiacciaio dell’Indren Misure dei sensori e valori di RSSI 4 Ghiacciaio Ghiacciaio del Toula Misure dei sensori e valori di RSSI 140 Fatta eccezione per le schede installate a Punta Helbronner che però sono state utilizzate per test di misura di valori di RSSI e non con finalità di raccolta di dati misurati dai sensori, tutte le altre schede poste in campo sono risultate funzionanti per lunghi periodi e sono stati raccolti i dati da ciascuna di esse, raggiungendo una percentuale di successo del 100%. WP6: analisi dei dati e realizzazione di un report. Produzione di almeno un articolo scientifico riassuntivo dell’attività svolta. Come parametri di controllo ci si prefigge di verificare e raggiungere quelli qui riportati: • Requisiti di affidabilità dei tag RFID: superamento dei test di affidabilità, con sopravvivenza (continuo funzionamento con cicli di lettura giornalieri per 2 mesi) di almeno 4 schede su 5; • Corrispondenza tra misure ottenute con i tag e misure di controllo ottenute con metodi e attrezzature tradizionali: o misura della posizione con un errore massimo di 1.5 m in pianta, 40 cm sulla verticale; o misura della temperatura con un errore massimo di 1.5°C (validazione con sonda al platino PT100). I dati provenienti dalle installazioni in sito nel campo neve di Villa Cameron e sui ghiacciai dell’Indren e del Toula sono stati analizzati e fatti confluire sia nel report finale (la relazione in oggetto – parte B6) che ne descrive nel dettaglio i risultati, sia nell’articolo “An ad-­‐hoc RFID tag for glaciers monitoring” che rientra nei proceedings della conferenza “Topical Conference on Antenna and Propagation in Wireless Communications”. Requisiti di affidabilità dei tag RFID Considerando le tre installazioni per le quali è stato eseguito un monitoraggio continuo (si esclude quindi il test di una sola giornata eseguito a punta Helbronner) il requisito di affidabilità è stato raggiunto con successo, come dettagliato nel seguito. • Campo neve a Villa Cameron: con un’acquisizione ogni ora ed uno scarico dei dati giornaliero (quindi con un consumo notevolmente aumentato rispetto a quello di progetto) il tag ha funzionato con continuità dal 19 dicembre 2013 al 10 marzo 2014 (81 giorni, ovvero due mesi e 21 giorni). • Ghiacciaio di Indren: i tre tag sono programmati per acquisire misure ogni 12 ore (frequenza doppia rispetto a quella di progetto); dalla data di installazione (18 aprile) alla data dell’ultima verifica (1° luglio), nella quale si è accertato che tutti e tre funzionavano correttamente, sono intercorsi 74 giorni (2 mesi e 14 giorni). • Ghiacciaio del Toula: i quattro tag sono programmati per acquisire misure ogni 12 ore (frequenza doppia rispetto a quella di progetto); dalla data di installazione (12 giugno) alla data dell’ultima verifica (25 luglio), nella quale si è accertato che tutti e tre funzionavano correttamente, sono intercorsi 43 giorni (1 mese e 13 giorni). Corrispondenza tra misure ottenute con i tag e misure di controllo ottenute con metodi e attrezzature tradizionali o misura della temperatura con un errore massimo di 1.5°C (validazione con sonda al platino PT100) Il test eseguito nel campo neve di Villa Cameron ha fornito dati utili a stabilire che la precisione di misura della temperatura della neve e del ghiaccio è ben al di sotto di 1.5°C. Il sensore alloggiato sulla PCB ha registrato per circa tre mesi valori di temperatura che sono stati messi a confronto con quelli misurati da una coppia di termometri analogici usati come riscontro: in conclusione non si è mai superata la soglia di 0,5°C di differenza tra le misure digitali e quelle analogiche. o misura della posizione con un errore massimo di 1.5 m in pianta, 40 cm sulla verticale Le prove di localizzazione effettuate durante il sopralluogo sul ghiacciaio Indren hanno portato ad una determinazione della posizione in pianta del tag sepolto con una precisione di circa 80 cm. La stima della profondità di installazione ha invece evidenziato un errore variabile a seconda delle condizioni del manto nevoso rispetto alle condizioni del medesimo al momento di installazione. Nelle varie prove si è osservata una precisione sul posizionamento verticale inferiore al metro, con risultati migliori all’aumentare 141 della profondità. Conoscendo la profondità di installazione iniziale del tag e a parità di condizioni della neve/ghiaccio durante il periodo si ha una maggiore ripetibilità dei risultati. o sensore di pressione Il sensore di pressione montato sulla PCB non ha restituito i risultati sperati in quanto la neve e il ghiaccio non si sono rivelati materiali idonei a misurare a trasferire il peso esercitato dalla loro massa sulla membrana del sensore. Invece, dopo averne verificato il buon funzionamento in acqua, il tag RFID con sensore di pressione è stato utilizzato in fase di test all’interno del lago glaciale del Lys (Gressoney-­‐La-­‐
Trinité). C.4 Valore aggiunto del progetto e impatti sul sistema regionale della ricerca Occupazione aggiuntiva Unitamente al team inizialmente individuato, nell’UdR è stata inserita una risorsa (ing. Salvatore Barone) grazie ai fondi stanziati per una borsa FSE. A tal fine sono stati pubblicati avvisi per la selezione di giovani laureati nel campo dell’elettronica, delle telecomunicazioni e dell’informatica; l’offerta si è immediatamente incontrata con la domanda di alcuni candidati interessati a GLACIES. Tuttavia, problemi legati soprattutto alla rinuncia dei candidati di volta in volta individuati come idonei, per proposte di incarichi più duraturi e remunerativi, hanno generato un ritardo nell’individuazione della risorsa che si è protratto per tutto il primo anno di attività. Il perdurare dell’assenza di tale risorsa è stato affrontato con l’integrazione di due nuove risorse da parte di EnviSens Technologies, con conoscenze e competenze in ambito elettronico ed informatico (ing. Greco e ing. Vittaz). Tale integrazione è risultata un’implementazione positiva del gruppo di ricerca, dal momento che questi hanno potuto contribuire e portare il loro valore aggiunto ai fini dello sviluppo del firmware, della programmazione delle schede a circuiti stampati e della trasmissione dei segnali tra i tag RFID ed il reader. In ultimo è stata integrata nel team di ricerca una nuova risorsa a tempo pieno, dal mese di marzo 2014 (ing. Spertino), da parte di EnviSens Technologies, con conoscenze e competenze in ambito elettrico e di ricerca e sviluppo; tale integrazione si è resa necessaria per portare avanti la realizzazione delle attività legate al WP5 “campagne di test in ambiente glaciale e sviluppo ulteriore del sistema”. Grazie all’opportunità offerta dal bando è stato possibile occupare o integrare il livello occupativo di diverse risorse tra cui: • ing. Andrea Roasio, con competenze nei sistemi di monitoraggio territoriale ed esperienza in ambito glaciologico, dedicato al progetto a tempo pieno per tutta la sua durata; • ing. Eliana Vittaz, con competenze nell’ingegneria informatica ed in particolare nella programmazione, nelle reti telematiche e nella teoria dei segnali; • ing. Giampaolo Greco, con competenze nell’ingegneria dell’informazione ed in particolare nella programmazione di firmware su microcontrollori e software in ambiente Microsoft; • ing. Salvatore Barone, beneficiario della borsa FSE di durata 10 mesi, con competenze nell’ingegneria elettronica ed in particolare in sistemi di telecomunicazione via radio e via cavo; • ing. Pierluigi Spertino, con conoscenze e competenze in ambito elettrico e di ricerca e sviluppo e con esperienza decennale nello sviluppo e collaudo di sistemi complessi in ambito industriale e di monitoraggio ambientale. • ing. Claudio Lucianaz, ingegnere elettronico e dottore di ricerca, con esperienza nello sviluppo elettronico e software e nella gestione di progetti di ricerca, con un impegno di quattro giornate al mese per tutta la durata del progetto. Si può affermare che l’UdR si è arricchita culturalmente e professionalmente grazie alla crescita delle sue risorse umane interne, che, dedicandosi allo studio e alla realizzazione delle attività del progetto, hanno potuto rafforzare le proprie competenze ed acquisire nuovo know how. Tali conoscenze e capacità potranno essere spese in una proficua continuazione dei lavori dell’UdR stessa, nello specifico ambito del progetto MALATRA o in ricerche in ambiti contigui, ma anche far sì che le risorse partecipino come attori primari ad analoghe iniziative del mondo del lavoro, portando con sé una capacità di competitività ragguardevole. In particolare, grazie al continuo confronto all’interno del team di ricerca ed anche alla 142 partecipazione ad eventi scientifici e di formazione (ad esempio l’Alpine Glaciology Meeting), sono stati acquisiti e/o incrementati i livelli di competenza in: • ambito glaciologico; • sistemi di monitoraggio territoriale; • sistemi elettronici di misura; • comunicazione mediante RFID in ambito glaciale; • algoritmi di localizzazione; • coordinamento tecnico di progetti; • capacità di movimentazione in ambiente glaciale. Benefici tecnici ed economici GLACIES è il risultato in primis di una strettissima collaborazione tra FMS, che si occupa prevalentemente di rischi naturali in alta montagna e del monitoraggio di ghiacciai ed EST, società legata al Politecnico di Torino, che svolge attività di alta produzione tecnologica in ambito di telecomunicazioni; inoltre profitta dell’apporto di altri partner esperti, per quanto riguarda lo specifico ambito glaciologico su cui ci si è attualmente concentrati, quali l’ARPA VdA e il VAW dell’ETH di Zurigo, oltre a il SUPSI di Lugano per l’ambito elettronico e al Dipartimento programmazione, difesa del suolo e risorse idriche della Regione autonoma Valle d’Aosta per il settore dei rischi naturali. Le tecnologie impiegate in GLACIES consentono di indagare la proprietà del ghiaccio e della neve in misura notevolmente più agevolata e dettagliata rispetto alla procedure tradizionali, basandosi sull’utilizzo di numerosi tag RFID, da disperdere su vaste aree dove l’intervento umano è difficoltoso, nonché, a volte, a rischio (ad esempio aree crepacciate oppure soggette a crollo di seracchi di alcuni ghiacciai). Al momento non è stato possibile arrivare a misurare tramite i dispositivi fin qui sviluppati in maniera adeguata la densità della neve. Una volta migliorato questo aspetto sarà possibile eseguire misure del bilancio di massa senza dover operare scavi di trincee, riducendo così i tempi delle operazioni in sito nonché traendone benefici fisici e di sicurezza in termini di minore fatica umana. Il valore aggiunto dell’utilizzo del sistema MALATRA risiede fondamentalmente nella possibilità di effettuare misure con una maggiore risoluzione spaziale e pertanto migliori da un punto di vista scientifico. Inoltre grazie ai dispositivi realizzati è possibile raccogliere dati utili ad una migliore conoscenza della dinamica glaciale, come la temperatura a diverse profondità ed in continuo e gli spostamenti dei dispositivi solidali al ghiacciaio (da cui derivare le velocità dei diversi punti del ghiacciaio e gli spostamenti differenziali all’interno dei diversi orizzonti). Si ritiene inoltre che a livello scientifico le misure che ne deriveranno saranno migliori poiché permetteranno di ottenere più dati a parità di area indagata e dunque di avere misure più accurate. Volendo riassumere, i benefici prodotti dall’impiego dei dispositivi MALATRÀ nell’ambito specifico di monitoraggio dei ghiacciai si possono così sintetizzare: • riduzione dei costi grazie all’impiego di tecnologia a basso costo; • maggiore velocità di esecuzione del monitoraggio; • minore fatica umana; • riduzione del pericolo grazie ad una minore permanenza del personale su ghiacciaio; • acquisizione dei dati in punti diversi del ghiacciaio e dunque aumento del numero delle misure, con conseguente maggiore spazializzazione del monitoraggio rispetto alle tecniche tradizionali; • misure in continuo per sorvegliare l’evoluzione del ghiacciaio nel tempo (attualmente sono eseguite due/tre misure all’anno); • acquisizione di dati che non erano altrimenti acquisiti (temperatura in profondità). Il know-­‐how tecnologico e scientifico acquisito dall’UdR GLACIES è trasferibile anche in altri contesti, diversi da quello glaciale; ad esempio è applicabile nell’ambito dei rischi naturali (laghi, versanti in frana) dove esistono realtà con caratteristiche ed esigenze affini a quelle incontrate sui ghiacciai, dove cioè è indispensabile ridurre la presenza dell’uomo, aumentando così la sua sicurezza, e dove, mediante tecnologia a basso costo e l’impiego di dispositivi associati a sensori di misura che comunicano con la superficie senza il supporto di cavi, sarebbe possibile monitorare l’evoluzione dei fenomeni naturali in continuo e per periodi prolungati. Ad esempio, una possibile applicazione è immaginabile in versanti in 143 frana potenzialmente pericolosi in caso di distacco, che necessitano di un’adeguata sorveglianza; in tal caso le misure inclinometriche e piezometriche potrebbero essere realizzate tramite l’installazione di batterie di tag RFID posti a diverse profondità, predisposti con appositi sensori di misura; infatti eliminando il rischio del tranciamento dei cavi dell’alimentazione e la rottura della strumentazione a causa di movimenti importanti del terreno, l’utilizzo della tecnologia RFID permetterebbe la continuità nell’acquisizione e nella trasmissione dei dati. Un’altra applicazione, di ambito nivologico, è l’utilizzo ai fini dello studio dei fenomeni di snowglide e di distacco di valanghe di neve umida, fenomeni sempre più analizzati, in considerazione degli impatti che i cambiamenti climatici (vedi l’innalzamento della temperatura dell’aria) potranno avere sulle caratteristiche del manto nevoso. Questi aspetti sono trattati dall’Unità di ricerca Mountain Risk Research Team -­‐ MRR Team (Progetto operativo “Rischio, Ricerca e Innovazione -­‐ R.R.I.) che sta studiando i meccanismi di umidificazione del manto nevoso ed il conseguente distacco di valanghe di neve umida assieme ai fattori, legati al substrato ed al manto nevoso, predisponenti i movimenti lenti della neve (snow-­‐glide) ed il distacco di valanghe per scivolamento. Vista la presenza di FMS come partner esiste già una sinergia tra le due UdR, che si potrebbe però maggiormente concretizzare con l’utilizzo del sistema MALATRÀ per la misura della temperatura all’interfaccia suolo-­‐neve in continuo; la mancanza di un cavo di collegamento tra il dispositivo di misura e l’apparecchio di lettura in superficie rappresenterebbe un notevole vantaggio in termini di facilità di installazione e di assenza di una stazione fissa di acquisizione e memorizzazione dati. L’UdR, forte degli esperimenti effettuati nel corso del progetto ed in particolare quelli sul sensore di pressione immerso in acqua, vede come prospettiva futura l’impiego delle capsule con tag RFID nello studio e nel monitoraggio, sempre in ambito glaciale, dei laghi glaciali. Questi corpi idrici, spesso di neoformazione ed in rapida evoluzione a causa dell'evoluzione (ritiro) dei ghiacciai, possono in alcuni casi essere all’origine di fenomeni pericolosi detti GLOF – glacial lake outburst flood; le loro sponde, costituite da ghiaccio, da morene o da altri accumuli di detriti non consolidati, possono andare incontro ad instabilità (rotture, collassi) con conseguente svuotamento improvviso del lago ed effetti potenzialmente pericolosi per i fondovalle vicini, come ad esempio ondate di piena anomale nei torrenti o colate detritiche dovute al materiale solido trasportato (materiale proveniente dallo sbarramento stesso crollato e/o materiale eroso dall'acqua nel suo percorso, in primis dalle aree deglacializzate attraversate, caratterizzate da detriti non consolidati). Risulta perciò importante determinare come il livello idrico (e dunque la pressione) varia per esaminare che non vi siano aumenti, tali da determinare sovrappressioni e cedimenti a livello delle sponde. Un lago glaciale recentemente sotto osservazione è il lago che si è formato sulla lingua terminale del ghiacciaio del Lys (Gressoney-­‐la-­‐Trinité); vista la vicinanza con il fondovalle FMS, incaricata dalla Struttura Attività geologiche della gestione di un Piano di monitoraggio dei rischi glaciali -­‐ DGR 3109 del 23/12/2011, ha eseguito a partire dal 2011 alcuni approfondimenti per valutare la possibilità di origine e le conseguenze di un eventuale GLOF. Assieme ad altre indagini è stato attivato un monitoraggio del livello idrico del lago a basso contenuto tecnologico, ovvero mediante l’installazione di aste graduate e la loro lettura periodica. Per poter eseguire un monitoraggio più efficace del lago, ovvero caratterizzato sia dalla possibilità di più acquisizioni giornaliere, sia da misurazioni più precise, si potrebbero utilizzare i sensori RFID dislocati in acqua, per derivare l'altezza della colonna idrica sovrastante e come questa varia. Il sistema MALATRA richiederebbe tuttavia un adattamento e la selezione di una diversa banda di frequenze per la trasmissione a causa delle mutate condizioni del mezzo trasmissivo (acqua e non ghiaccio o neve). Da letteratura esistono sperimentazioni in campo fluviale, utilizzando la frequenza di 134.2 kHz [
HYPERLINK \l "JSc10" 52 ]53], ma l’argomento necessita di ulteriori approfondimenti, funzionali ad un ulteriore sviluppo dei dispositivi per queste finalità. C.5 Conclusioni e prospettive di sviluppo In conclusione, a chiusura del progetto MALATRA, l’UdR GLACIES ritiene di aver conseguito i risultati auspicati e che questi siano promettenti visto quanto ottenuto in due anni di progetto e visti i diversi ambiti di monitoraggio ambientale e dei rischi naturali in cui l’utilizzo di dispositivi simili, che sfruttano la tecnologia RFID, possono trovare applicazione. Il sistema ideato, progettato, realizzato e 144 sperimentato è infatti pronto ad essere utilizzato in maniera più massiccia nell’ambito del monitoraggio degli apparati glaciali, seppure alcune migliorie possono renderlo più performante. L’utilizzo del sistema continuerà oltre il termine del progetto. Infatti, i tag RFID installati nel corso della primavera 2014 rimarranno in funzione fino ad esaurimento della carica energetica, vale a dire per almeno tre anni, con ipotesi di vita massima di cinque anni. Fondazione Montagna sicura proseguirà, a scopo scientifico, ad utilizzare nel monitoraggio dei ghiacciai i tag RFID rappresentano, in stretta collaborazione con EnviSens Technologies. In sinergia delle campagne di misura del bilancio di massa sarà eseguita l’interrogazione dei tag ed il download dei dati, che potranno così essere analizzati per migliorare la conoscenza della dinamica dei ghiacciai indagati oltre che essere condivisi con la comunità scientifica e contribuire anche allo studio del riscaldamento globale attraverso lo studio dell’andamento delle temperature all’interno del ghiaccio e all’interfaccia neve/ghiaccio. Per quanto riguarda il futuro dell’Unità di ricerca GLACIES ed in particolare del sistema MALATRA, il team di ricerca ha individuato diverse piste di sviluppo, sia di carattere tecnologico (migliorie dei dispositivi), sia di carattere applicativo, derivanti dall’utilizzo di questo sistema versatile in altri ambiti, che possono essere oggetto di nuovi progetti di ricerca: • modifica delle capsule -­‐ ad esempio, la realizzazione di capsule in metallo anziché in plastica, garantirebbe da una parte una resistenza meccanica agli urti ed alle deformazioni molto elevata, ben superiore a quella offerta da un qualsiasi tipo di plastica, dall’altra la capsula stessa si trasformerebbe in un unico grosso dipolo rendendosi praticamente trasparente alle onde radio che rendono possibile la comunicazione tra tag e reader, facilitando notevolmente la trasmissione del segnale e la sua ricezione a distanze anche maggiori rispetto a quelle attuali; • sviluppo di dispositivi in grado di misurare la pressione – nonostante il presente progetto non abbia ottenuto risultati soddisfacenti sotto questo aspetto, ai fini nivologici e glaciologici, si ritiene importante investire in questa direzione per poter ottenere valori di pressione ed indirettamente di densità della neve e del ghiaccio; • studio ulteriore e sperimentazione in campo della tecnologia di comunicazione RFID ad una frequenza di 169MHz -­‐ grazie ad un’aumentata potenza di indagine del segnale radio rispetto alla frequenza di 315MHz, il tag potrebbe trovare impiego anche in monitoraggi all’interno di materiali per loro natura più isolanti della neve o del ghiaccio, ad esempio nell’acqua; • applicazione nel monitoraggio dei laghi glaciali di recente formazione o di altri corpi idrici -­‐ utile per la misura in continuo del livello idrico, per comprendere meglio la loro evoluzione; una sperimentazione di questo tipo è stata già avviata sul lago glaciale del Lys; • applicazione nel monitoraggio di versanti franosi -­‐ la realizzazione e la messa in opera di batterie di sensori indipendenti ed in grado di misurare l’oscillazione nei tre assi andrebbe a potenziare o a sostituire il monitoraggio inclinometrico, molto costoso nella realizzazione e soggetto a interruzioni dovute al tranciamento dei tubi in corrispondenza dei piani di scivolamento della frana; • applicazione in ambito nivologico – in particolare per la misura della temperatura all’interfaccia neve/suolo utile alla comprensione dei meccanismi di snow-­‐glide e dei distacchi di valanghe di neve umida, con l’obiettivo finale di migliorare le capacità previsionali del pericolo valanghivo; inoltre i dispositivi RFID essendo localizzabili e univocamente identificabili possono essere utilizzati nello studio delle dinamiche valanghive (quali dati di input e di validazione dei modelli di propagazione -­‐ capsule in alcuni punti del manto, che a seguito di valanga vengono trovate lungo il percorso). Relativamente ai costi, e alla possibilità di abbatterli ulteriormente passando ad una produzione dei dispositivi, l’UdR considera che al momento tale possibilità sarà valutata a partire dal mese di ottobre attraverso riunioni col team. Inoltre, considerato l’ambito specifico e i numeri necessari per un’eventuale 145 produzione, ma soprattutto considerato che, seppure ancora in forma prototipale e sperimentale, i dispositivi MALATRA risultano economicamente più vantaggiosi rispetto ad analoghi prodotti già standard ed in commercio, il sistema può considerarsi già al momento attuale a basso costo. Il team leader dell’Unità di ricerca __________________________ Il responsabile scientifico dell’Unità di ricerca _________________________ 146 Bibliografia [1] Paterson W. S. B., Physics of Glaciers, Third edistion ed. Oxford, UK: Butterwoth-­‐Heinemann, 2000. 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INSTALLAZIONE DEI SENSORI RFID NELLA ZONA DI ABLAZIONE .................................................................................................. 10 FIGURA 5 RADAR CROSS SECTION DI UNA SFERA ............................................................................................................................................... 12 TABELLA 1. PERDITE PER TRASMISSIONE E RIFLESSIONE NELLE INTERFACCE ARIA/GHIACCIO/ACQUA .................................................. 13 FIGURA 6 DISEGNO QUOTATO DELLA CAPSULA .................................................................................................................................................. 14 FIGURA 7 SCREENSHOT DEL PROGRAMMA DI DISEGNO 3D RAFFIGURANTE IL PROGETTO DEL CONTENITORE DEL READER. ................ 15 FIGURA 8 FASE DI STAMPA 3D DEL BASAMENTO DEL CONTENITORE DEL READER. ..................................................................................... 15 FIGURA 9 CRESCITA DELLA STAMPA 3D CON EMERSIONE DEGLI ELEMENTI DI FISSAGGIO AD INCASTRO DEL CIRCUITO STAMPATO DEL READER. ......................................................................................................................................................................................................... 15 FIGURA 10 OGGETTO 3D COMPLETO DI COPERCHIO PERSONALIZZATO. LE APERTURE LATERALI SONO STATE ANCH'ESSE PRODOTTE DALLA STAMPANTE 3D. .............................................................................................................................................................................. 16 FIGURA 11 INTERNO DEL CONTENITORE STAMPATO. DA RILEVARE LA PRESENZA DEI 4 ELEMENTI DI BLOCCAGGIO DELLA SCHEDA PROGETTATI "SU MISURA". ......................................................................................................................................................................... 16 TABELLA 2. SPECIFICHE AMBIENTE OPERATIVO ................................................................................................................................................ 18 TABELLA 3. SPECIFICHE DI COMUNICAZIONE RADIO TAG RFID ...................................................................................................................... 18 TABELLA 4. ALIMENTAZIONE E CONSUMI ........................................................................................................................................................... 19 TABELLA 5. SENSORI DI MISURA ........................................................................................................................................................................... 20 TABELLA 6. MICROCONTROLLORE ....................................................................................................................................................................... 20 TABELLA 7. MEMORIA FLASH ................................................................................................................................................................................ 20 TABELLA 8. CARATTERISTICHE MECCANICHE E MATERIALE DELLA CAPSULA CONTENITORE ..................................................................... 21 FIGURA 12 ESTRATTO DELLO SCHEMA ELETTRICO – CIRCUITO DI ADATTAMENTO DELLA PT1000 ........................................................ 22 FIGURA 13 LAYOUT DEL PCB ............................................................................................................................................................................... 23 FIGURA 14 LA PRIMA VERSIONE REALIZZATA DELLA SCHEDA A CIRCUITI STAMPATI ................................................................................... 24 FIGURA 15 ARCHITETTURA SOFTWARE DEL SISTEMA ...................................................................................................................................... 26 FIGURA 17 TAG VERSIONE 2.1 -­‐ LA FRECCIA GIALLA INDICA LA LINEA DI TRASMISSIONE, LA VERDE LA RETE DI ADATTAMENTO DELL’IMPEDENZA ANTENNA ....................................................................................................................................................................... 30 FIGURA 18 LE DUE VERSIONI A CONFRONTO (FRONTE) ................................................................................................................................... 31 FIGURA 19 LE DUE VERSIONI A CONFRONTO (LATO) ........................................................................................................................................ 31 FIGURA 20. ANTENNA DIRETTIVA MODELLO YAGI 5 ELEMENTI, INTERAMENTE COSTRUITA NEL CORSO DEL PROGETTO ..................... 33 FIGURA 21 APPARATI ELETTRONICI UTILIZZATI NEL TEST DEL PRODUTTORE DEL MICROCONTROLLORE CON MODULO RADIO INTEGRATO. IMMAGINI TRATTE DA [30] ................................................................................................................................................. 37 FIGURA 22 SCHEMA GEOMETRICO UTILIZZATO PER IL RILEVATORE DI DIFFERENZA DI FASE. .................................................................... 40 FIGURA 23 SEGNALI IN BASSA FREQUENZA E IN FASE. ...................................................................................................................................... 42 FIGURA 24 SEGNALI IN BASSA FREQUENZA E VISIBILMENTE SFASATI. ........................................................................................................... 42 FIGURA25. IL PANNELLO DI TEST PER LA RILEVAZIONE ALL'APERTO DELLA DIFFERENZA DI FASE ........................................................... 44 FIGURA 26 TEST IN CAMPO LIBERO PER IL RILEVAMENTO DELLA DIFFERENZA DI FASE. ............................................................................ 44 FIGURA 27 IL DISPOSITIVO USRP UTILIZZATO PER IL CAMPIONAMENTO DEI SEGNALI. .............................................................................. 45 FIGURA 28 IL CHIP AD8302, CHE MISURA LA DIFFERENZA DI FASE. ............................................................................................................. 47 FIGURA 29 IL SAW FILTER A 315 MHZ DELLA EPCOS. ................................................................................................................................ 48 FIGURA 30 IL PRIMO PROTOTIPO DI LABORATORIO PER LA MISURA DELLA DIFFERENZA DI FASE. ............................................................ 48 FIGURA 31 SCHEMA ELETTRICO DEL MISURATORE DI DIFFERENZA DI FASE. ................................................................................................ 48 FIGURA 32 INGEGNERIZZAZIONE DEL PCB. ........................................................................................................................................................ 48 FIGURA 33 IL DISPOSITIVO DI MISURA DI FASE . ................................................................................................................................................. 49 FIGURA 34 -­‐ SCHEMA TIPICO DI UNA SISTEMAZIONE READER-­‐TAGS RFID NELL’ARTICOLO DI SUBEDI E ALTRI [32]. ....................... 50 FIGURA 35 GHIACCIAIO DELL'INDREN (3300M), PANORAMICA DELL'AMBIENTE GLACIALIZZATO .......................................................... 51 FIGURA 36 NUVOLA DI PUNTI RILEVATI .............................................................................................................................................................. 52 FIGURA 37 ESTRATTO DI DATI RILEVATI ............................................................................................................................................................ 52 FIGURA 38 PRECISIONE DELLA POSIZIONE STIMATA (TAG VERDE) RISPETTO A POSIZIONE REALE (TAG BLU) ........................................ 53 FIGURA 39 MAPPA DELLE PROVE DI TRASMISSIONE ......................................................................................................................................... 54 FIGURA 40 SENSORE DI TEMPERATURA PT1000 ............................................................................................................................................. 61 FIGURA 41 CAMERA CLIMATICA BINDER ............................................................................................................................................................ 61 FIGURA 42 SENSORE DI PRESSIONE ..................................................................................................................................................................... 64 FIGURA 43 SENSORE DI PRESSIONE INSERITO IN CAPSULA ............................................................................................................................... 64 FIGURA 44 SCHEMA DEL COLLEGAMENTO ELETTRICO DEL SENSORE SULLA PCB ........................................................................................ 65 FIGURA 45 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 ........................................................................ 69 151 FIGURA 46 -­‐ TAG VERSIONE 1 .............................................................................................................................................................................. 74 FIGURA 47 -­‐ TAG VERSIONE 2. LA FRECCIA INDICA LA LINEA DI TRASMISSIONE. IL QUADRATO, LA RETE DI ADATTAMENTO. .............. 74 FIGURA 48 SCHERMATA DELL'ANALIZZATORE VETTORIALE DI RETE RIGUARDANTE LA MISURA DELL'IMPEDENZA CARATTERISTICA DELL’ANTENNA. ............................................................................................................................................................................................ 75 FIGURA 49 SCHERMATA DELL'ANALIZZATORE VETTORIALE DI RETE RIGUARDANTE LA MISURA DELL'IMPEDENZA CARATTERISTICA DELLA LINEA DI TRASMISSIONE SUL PCB. ................................................................................................................................................ 76 FIGURA 50 SCHEMA DI CIRCUITO DELLA RETE DI ADATTAMENTO. ................................................................................................................. 78 FIGURA 51 SCHERMATA DELL'ANALIZZATORE VETTORIALE DI RETE RIGUARDANTE IL VALORE DI IMPEDENZA REALIZZATO AL CONNETTORE D'ANTENNA. ......................................................................................................................................................................... 78 FIGURA 52 AZIMUT, POLARIZZAZIONE V DELL'ANTENNA DEL TAG. ............................................................................................................... 87 FIGURA 53 ELEVAZIONE, POLARIZZAZIONE V DELL'ANTENNA DEL TAG. ....................................................................................................... 87 FIGURA 54 AZIMUT, POLARIZZAZIONE O DELL'ANTENNA DEL TAG. ............................................................................................................... 88 FIGURA 55 ELEVAZIONE, POLARIZZAZIONE O DELL'ANTENNA DEL TAG. ....................................................................................................... 88 FIGURA 56 AZIMUT, POL. V: DELTA GAIN DI 4.28 SUL MINIMO MISURATO. ................................................................................................ 89 FIGURA 57 ELEVAZIONE, POL. V: DELTA GAIN DI 8.81 SUL MINIMO MISURATO. ........................................................................................ 89 FIGURA 58 AZIMUT, POL. O: DELTA GAIN DI 3.06 SUL MINIMO MISURATO. ................................................................................................ 90 FIGURA 59 ELEVAZIONE, POL. O: DELTA GAIN DI 12.89 SUL MINIMO MISURATO. ..................................................................................... 90 FIGURA 60 MASSIMA PRECISIONE OTTENIBILE NELLA STIMA DI POSIZIONAMENTO DEL TAG SEPOLTO TRAMITE MISURA DI RSSI. .... 91 FIGURA 61 POLARIZZAZIONE DELL'ANTENNA DEL TAG OTTENUTA CON POLARIZZAZIONE O DELL'ANTENNA IN RICEZIONE.NNA TAG, POL. O ANTENNA RICEZIONE .................................................................................................................................................................... 92 FIGURA 69 MAPPA DELLE PROVE DI TRASMISSIONE A 169 MHZ ................................................................................................................. 111 FIGURA 70 UBICAZIONE DELLE INSTALLAZIONI DEI TAG RFID .................................................................................................................... 112 FIGURA 71 ANDAMENTO DELLA TEMPERATURA REGISTRATA DAL TAG SEPOLTO NELLA NEVE DAL MOMENTO DELL’INSTALLAZIONE (19 DICEMBRE 2013) FINO AL TERMINE DEL TEST DI MONITORAGGIO (10 MARZO 2014). LA LINEA IN NERO (POLI), CHE RAPPRESENTA LA POLINOMIALE DI TUTTE LE MISURE ACQUISITE, MOSTRA UN MINIMO MA GRADUALE AUMENTO DELLE TEMPERATURE FINO AD UN VALORE DI CIRCA -­‐0,5°C. ......................................................................................................................... 118 FIGURA 72 IL GRAFICO MOSTRA IL CONFRONTO TRA LE TEMPERATURE REGISTRATE DAL TAG SEPOLTO IN NEVE (LINEA IN ARANCIONE) E QUELLE MISURATE CON UN TERMOMETRO ANALOGICO MANUALE ALLA BASE DEL MANTO NEVOSO (PUNTI NERI CERCHIATI DI ROSSO). LE DUE RAPPRESENTAZIONI SONO COMPLETATE DA DUE POLINOMIALI (QUELLA NERA RELATIVA AL TAG E QUELLA ROSSA RELATIVA AL TERMOMETRO MANUALE) CHE ILLUSTRANO UNA DIVERGENZA DI CIRCA 0,5°C TRA I VALORI MEDI DELLE DUE MISURE. ......................................................................................................................................................................... 118 FIGURA 73 LA TEMPERATURA REGISTRATA DAL TAG RFID (LINEA ROSSA) DURANTE IL MONITORAGGIO È MESSA A CONFRONTO CON QUELLA MISURATA ALLA BASE DEL MANTO NEVOSO (LINEA AZZURRA) DAL TERMOMETRO MANUALE ANALOGICO E CON LA TEMPERATURA DELL’ARIA (LINEA VERDE). I GRAFICI SONO MESSI IN CORRELAZIONE CON L’ALTEZZA DEL MANTO NEVOSO (LINEA MAGENTA) MISURATA NEL CORSO DEL MONITORAGGIO. ........................................................................................................ 119 FIGURA 73 ESTRATTO DI ALCUNI VALORI DI RSSI CAMPIONATI DURANTE LE CONNESSIONI VIA RFID TRA IL READER E IL TAG LUNGO LA DIREZIONE R2T E T2R ....................................................................................................................................................................... 120 FIGURA 74 L’INTENSITÀ DEL SEGNALE IN DIREZIONE DEL TAG (LINEA BLU) È QUASI IDENTICA A QUELLA CHE VIAGGIA IN DIREZIONE OPPOSTA, DAL TAG AL READER (LINEA ROSSA). IL VALORE DELL’INTENSITÀ DEL SEGNALE È PIUTTOSTO ELEVATO NONOSTANTE LE ATTENUAZIONI INTRODOTTE DAI VARI MATERIALI FRAPPOSTI TRA LA FONTE EMITTENTE E QUELLA RICEVENTE .............. 120 FIGURA 75 UBICAZIONE TAG INDREN E STAZIONI METEO .............................................................................................................................. 121 FIGURA 76 UBICAZIONE TAG INDREN ................................................................................................................................................................ 122 FIGURA 77 UGELLO DI PERFORAZIONE UTILIZZATO PER REALIZZARE I FORI .............................................................................................. 123 FIGURA 78 RICERCA TRAMITE TECNOLOGIA RFID ......................................................................................................................................... 124 FIGURA 79 ANTENNA YAGI ................................................................................................................................................................................. 125 FIGURA 80 TEST DI COMUNICAZIONE MEDIANTE ANTENNA YAGI ................................................................................................................ 125 FIGURA 81 LA PALINA ASSOCIATA AI TAG 2 E 10 ............................................................................................................................................ 125 FIGURA 82 INTERROGAZIONE DEI TAG ............................................................................................................................................................... 125 FIGURA 83 TEMPERATURE DEI TAG (LINEE ROSSA, BLU E VERDE) MESSA IN RELAZIONE CON LO SPESSORE DEL MANTO NEVOSO RILEVATO PRESSO LA STAZIONE SITA IN LOCALITÀ LAGO GABIET -­‐LG-­‐ (LINEA TRATTEGGIATA ARANCIONE) E CON LE TEMPERATURE REGISTRATE DALLA STAZIONE AUTOMATICA DEL PASSO DEI SALATI -­‐PDS-­‐ (LINEA GRIGIA) ............................ 127 FIGURA 84 TEMPERATURE DEI TAG (LINEE ROSSA, BLU E VERDE) MESSE IN CORRELAZIONE CON LA TEMPERATURA DELL’ARIA REGISTRATA DALLA STAZIONE AUTOMATICA DEL PASSO DEI SALATI A QUOTA 2970 M (LINEA GRIGIA). LA LINEA GRIGIA TRATTEGGIATA RAPPRESENTA LA POLINOMIALE CALCOLATA SULLE MISURE DELLA TEMPERATURA DELL’ARIA E MOSTRA UN TREND DI AUMENTO DELLA TEMPERATURA MEDIA GIORNALIERA CON L’AVANZARE DELLA PRIMAVERA E L’INIZIO DELL’ESTATE
...................................................................................................................................................................................................................... 127 FIGURA 85 UBICAZIONE TAG TOULA ................................................................................................................................................................. 129 FIGURA 86 FOTO AEREA DEL GHIACCIAIO (2005) .......................................................................................................................................... 129 FIGURA 87 IL GHIACCIAIO DEL TOULA COME SI PRESENTAVA A LUGLIO 2013 ........................................................................................... 130 FIGURA 88 LOCALIZZAZIONE DELLE PALINE ABLATOMETRICHE ................................................................................................................... 131 152 FIGURA 89 UN MOMENTO DELLA PERFORAZIONE CON LA SONDA A VAPORE .............................................................................................. 132 FIGURA 90 PALINA P2 ASSOCIATA AI TAG 36 E 34 ......................................................................................................................................... 133 FIGURA 91 TEMPERATURE DEI TAG 36 E 34 INSTALLATI NEL FORO CON PALINA P2 (QUOTA 3127M) ............................................... 134 FIGURA 92 TEMPERATURE DEI TAG 37 E 31 INSTALLATI NEL FORO CON PALINA P3 (QUOTA 3059M) ............................................... 134 153 

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