RICERCA ITALIANA     

Sistema di Misura Distribuito per il Monitoraggio di Ambiente e Territorio

Università degli Studi di Napoli "Federico II"

Abstract

Il monitoraggio dei fenomeni e delle grandezze di interesse per l'ambiente e per il territorio rappresenta, oggi, una tematica di estremo interesse. In molte applicazioni di interesse scientifico-tecnologico, industriale ed anche sociale, è richiesto il monitoraggio di grandezze dislocate in diverse aree geografiche, per le quali il prelievo manuale dei dati da sensori distribuiti sul territorio, anche se l'area interessata è limitata, risulta antieconomico e, soprattutto, non consente un rilievo tempestivo di eventuali anomalie. Molti sono i sistemi di monitoraggio già proposti ed operanti, la cui analisi pone però in evidenza alcune problematiche ancora aperte di rilevante interesse per la comunità scientifica. Tra queste, la proposta progettuale del gruppo interuniversitario intende esplorare:
1) affidabilità e disponibilità in tempo reale dell'informazione di misura in relazione al monitoraggio di grandezze fortemente suscettibili al rumore ambientale quali livello e portata di corsi d'acqua;
2) affidabilità e disponibilità in tempo reale dell'informazione di misura in relazione al monitoraggio di grandezze caratterizzate da elevata dinamica quali la qualità dell'energia elettrica;
3) verifica delle prestazioni dei sistemi di comunicazione wireless idonei alla trasmissione dati in applicazioni di monitoraggio di ambiente e territorio;
4) caratterizzazione del sistema di monitoraggio nel suo complesso, intesa come caratterizzazione metrologica dei dispositivi di misura e caratterizzazione del sistema di comunicazione ai vari livelli della pila protocollare.
Alla luce di ciò, la proposta del gruppo interuniversitario è finalizzata alla progettazione, concreta realizzazione e caratterizzazione di un'architettura modulare di un sistema distribuito sul territorio per la misura di grandezze di tipo ambientale di interesse per la collettività. Il sistema sarà composto da un insieme di sensori "intelligenti", da server locali di raccolta e da un server centrale.
A causa delle limitazioni imposte dall'orizzonte economico-temporale del progetto, nel vasto ambito delle grandezze di tipo ambientale, si è scelto di individuare alcune grandezze cui fare riferimento per la messa a punto del sistema. Tale scelta è stata fatta individuando grandezze che non solo fossero di interesse per la collettività ma che, soprattutto, presentassero problematiche specifiche in termini di dinamica e/o di suscettibilità al rumore ambientale. A valle di tali considerazioni si è deciso di fare riferimento a misure di livello e portata di corsi d'acqua, di qualità dell'energia elettrica e di livello di inquinamento elettromagnetico.
Si vuole comunque evidenziare che la scelta di monitorare un numero estremamente ridotto di grandezze fisiche non rappresenta un limite del progetto in termini architetturali. L'architettura del sistema sarà, infatti, di tipo estremamente modulare e consentirà in futuro di aggiungere sensori di altre grandezze fisiche e/o di sostituirne alcuni già esistenti al fine di estendere e/o modificare l'insieme di parametri oggetto del monitoraggio. Tali estensioni e/o modifiche non interferiranno con il sistema già operante.
Nell'ottica di rendere affidabile il servizio di monitoraggio in tempo reale e di consentire, in caso di necessità, un intervento tempestivo e, comunque, in tempo utile, particolare attenzione sarà dedicata alla caratterizzazione del sistema, alla sua suscettibilità ai campi elettromagnetici esterni, alla caratterizzazione degli apparati di comunicazione e alla valutazione degli effetti di possibili interferenze all'interno ed all'esterno del canale di trasmissione sulla qualità del servizio. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Aldo BACCIGALUPI Università degli Studi di NAPOLI "Federico II"

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'acquisizione in tempo reale di grandezze ambientali, la verifica dell'attendibilità delle misurazioni, l'analisi comparativa e la correlazione tra le rilevazioni effettuate, il confronto con eventi storici opportunamente archiviati, possono essere tutte azioni atte, se non ad evitare del tutto la possibilità del verificarsi di eventi dannosi, almeno a contenerne i danni per la popolazione, a mezzo della gestione, in tempo utile, di preallarmi ed emergenze. In tale ottica, la presente proposta di progetto ha come obiettivo il monitoraggio di fenomeni e grandezze di tipo ambientale dislocate in diverse aree geografiche, per le quali il prelievo manuale dei dati da sensori distribuiti sul territorio, anche se l'area interessata è limitata, risulterebbe antieconomico e non consentirebbe un rilievo tempestivo di eventuali anomalie. Pertanto, nel progetto si intende far ricorso a soluzioni che prevedono (i) l'acquisizione in tempo reale dei segnali mediante sistemi di misura distribuiti sul territorio e (ii) la loro trasmissione, con periodicità fissa o variabile, ad un'unità centrale di coordinamento.
Essendo la vastità delle problematiche troppo elevata per consentire la loro completa soluzione nei limiti economico-temporali imposti dal presente progetto, si è preferito individuare alcune grandezze che, oltre ad essere di sicuro interesse per la collettività, presentino problematiche specifiche sia in termini di dinamica sia in relazione alla loro suscettibilità al rumore ambientale. In particolare, il primo obiettivo del progetto è quello di realizzare un sistema di monitoraggio di (i) livello e portata dei corsi d'acqua, (ii) livello di inquinamento elettromagnetico e (iii) qualità dell'energia elettrica. Per raggiungere tale obiettivo, si intende implementare un'architettura modulare di un sistema di misura distribuito sul territorio. Il sistema sarà composto da un insieme di sensori (sensori web) delle suddette grandezze, da server locali di raccolta e da un concentratore capace di disseminare sul territorio le informazioni raccolte.
La modularità del sistema sarà garantita facendo ricorso a nuove tecnologie, molto promettenti, basate sullo sviluppo di appositi servizi web che consentiranno all'utenza di accedere alle informazioni di interesse mediante protocolli standardizzati e indipendenti dalle piattaforme hardware/software utilizzate. Per conseguire questo risultato, i sensori saranno costituiti da moduli comprendenti apposite sezioni di sensing, trasduzione, elaborazione e trasmissione numerica. A tale scopo saranno impiegati i protocolli standard HTML, XML e SOAP, tipici servizi web. Tale scelta consentirà, inoltre, la possibilità di aggiungere, alla luce di future esigenze di monitoraggio di altre grandezze di tipo ambientale, nuovi sensori e/o di sostituire alcuni sensori esistenti con altri di diversa natura, senza che ciò richieda modifiche di carattere architetturale.
Il secondo obiettivo del programma di ricerca, riguarda le problematiche di comunicazione dei risultati di misura. Allo stato attuale, la comunicazione su reti cablate sono certamente le più diffuse e, pertanto, le meglio esplorate. Pertanto, l'attività di ricerca sarà maggiormente concentrata su soluzioni di tipo wireless, meno assestate e quindi più interessanti per i fini della ricerca scientifica. Inoltre, la tecnologia wireless offre caratteristiche di flessibilità e di accessibilità spesso richieste nel monitoraggio ambientale in zone impervie e difficilmente raggiungibili da un sistema cablato.
Terzo obiettivo del progetto è quello di caratterizzare il sistema di monitoraggio nel suo complesso. L'attività di ricerca sarà finalizzata (i) alla caratterizzazione metrologica dei sensori web, (ii) alla suscettibilità degli stessi alle interferenze elettromagnetiche (iii) alla caratterizzazione degli apparati di comunicazione, (iv) alla valutazione degli effetti di possibili interferenze all'interno ed all'esterno del canale di trasmissione sulla qualità della comunicazione. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati conseguiti alla fine della prima fase del progetto saranno attestati da:

1. rapporti sullo stato dell'arte;
2. rapporti sull'analisi delle grandezze da monitorare in termini di caratteristiche metrologiche richieste;
3. rapporti sull'architettura del sistema distribuito di misura da realizzare;
4. rapporti sui parametri sintetici e sulle procedure di misurazione della qualità del servizio;
5. specifiche della strumentazione da acquisire;
6. piano di lavoro esecutivo del progetto.I risultati attesi alla fine della seconda fase del progetto sono di seguito presentati facendo riferimento alle singole aree tematiche individuate nella descrizione del programma della fase stessa.

AT1: REALIZZAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI SENSORI WEB PER IL MONITORAGGIO DI GRANDEZZE AMBIENTALI A BASSA DINAMICA E VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DELLA COMUNICAZIONE A LUNGO RAGGIO.
- Acquisizione della strumentazione individuata nella prima fase.
- Realizzazione e messa a punto degli algoritmi di misura delle grandezze di interesse.
- Scelta del database che soddisfi le richieste evidenziate nella descrizione del programma.
- Realizzazione dei servizi web da implementare sul concentratore per la fruizione dei dati di misura.
- Realizzazione e messa a punto degli algoritmi per l'individuazione e correzione di difetti della catena di trasmissione del segnale.
- Realizzazione della procedura di caratterizzazione statistica della potenza trasmessa.
- Definizione e messa a punto di metodi di misura dei transitori.
- Definizione e messa a punto di metodi di misura di interferenza tra canali di comunicazione.

AT2: SENSORI WEB A BASSO COSTO PER IL MONITORAGGIO DELLA QUALITÀ ED IL CONTROLLO DELL'ENERGIA ELETTRICA
- Acquisizione della strumentazione individuata nella prima fase.
- Analisi delle specifiche richieste per la realizzazione dei web-sensor.
- Acquisto, se necessario, di ulteriore componentistica elettronica disponibile sul mercato.
- Realizzazione software per la stima dei parametri di interesse.

AT3: SISTEMA DI COMUNICAZIONE WIRELESS A BREVE RAGGIO TRA SITI DI MISURA AD INTELLIGENZA DISTRIBUITA.
- Acquisizione della strumentazione individuata nella prima fase.
- Individuazione e caratterizzazione degli algoritmi necessari al miglioramento delle caratteristiche metrologiche dei sistemi locali di misura.
- Individuazione e valutazione del livello fisico di trasmissione a breve raggio per la comunicazione dei sensori web con il server locale del sito di misura.
- Individuazione e valutazione delle figure di merito sintetiche per la misura e caratterizzazione delle grandezze di interesse.
- Analisi delle possibili soluzioni hardware/software per il salvataggio sui moduli locali di misura delle informazioni sintetiche di misura.

AT4: CARATTERIZZAZIONE DEI CANALI DI TRASMISSIONE E MONITORAGGIO DEL SISTEMA DISTRIBUITO DI MISURA.
- Acquisizione della strumentazione individuata nella prima fase.
- Realizzazione e messa a punto di uno strumento per la valutazione della sincronizzazione di PC.
- Realizzazione e messa a punto di uno strumento per la misura del ritardo in direzione stabilita.
- Realizzazione e messa a punto di uno strumento per la misura dell'occupazione della CPU del PC.
- Realizzazione ed addestramento di una rete neurale artificiale per il ricostruzione dei simboli trasmessi e l'individuazione delle cause di degrado dell'informazione.

AT5: CARATTERIZZAZIONE METROLOGICA DI SISTEMI DI MISURA PER IL MONITORAGGIO AMBIENTALE
- Acquisizione della strumentazione individuata nella prima fase.
- Realizzazione e messa a punto delle procedure di caratterizzazione dei siti di misura.
- Realizzazione e messa a punto delle procedure per la verifica di conformità in termini di compatibilità elettromagnetica dei siti di misura.
- Realizzazione e messa a punto delle di un algoritmo di decision-making statistico per quantificazione della probabilità d corretta decisione.
- Progettazione di un sensore web per la misura dell'inquinamento elettromagnetico.I risultati attesi dal completamento delle attività previste dalla terza fase del programma di ricerca sono elencati di seguito in relazione alla tempificazione che si intende rispettare.
- I primi risultati riguardano la validazione dei metodi innovativi e delle rispettive procedure di misura messe a punto durante le precedenti fasi del progetto. In dettaglio, i risultati attesi consistono nella specifica di regole o indicazioni per la valutazione dell'incertezza di misura che tali metodi e procedure possono garantire.
- L'utilizzo dei suddetti metodi e procedure, una volta che le loro prestazioni sono state adeguatamente determinate e specificate, agevola il conseguimento dei risultati previsti successivamente, che riguardano la caratterizzazione metrologica dei sensori/trasduttori. Tali risultati sono relativi alla caratterizzazione di sensori 'smart', ovvero di sensori accessoriati con moduli di elaborazione numerica dei segnali di misura, che permettono l'interfacciamento con l'architettura di rete.
- Ulteriori risultati attesi riguardano, per quelle parti del sistema in cui la disseminazione dei dati è supportata da sistemi wireless, (i) la diagnostica e la qualificazione dei trasmettitori e dei ricevitori wireless, dalle cui prestazioni dipende l'integrità del segnale e (ii) la caratterizzazione dell'affidabilità del sistema nella trasmissione dei dati in presenza di interferenze. Tali risultati sono espressi intermini di opportune figure di merito di uso comune o opportunamente definite nelle precedenti fasi del programma di ricerca.
- In ultimo si attendono risultati utili a fornire commenti tecnici sullo stato della rete e sull'efficienza conseguita dal particolare protocollo di comunicazione scelto.Nell'ultima fase del progetto, a valle dell'attività di armonizzazione dei risultati raggiunti specificamente dalle singole unità operative, si perverrà alla realizzazione del sistema distribuito di misura di grandezze di interesse ambientale. In particolare, il coordinamento delle attività permetterà di fondere i risultati parziali delle fasi precedenti e delle varie sedi del progetto di ricerca in un sistema di misura distribuito. I risultati attesi per questa fase sono:
- integrazione dei vari moduli di misura locali con le interfacce di trasmissione dati;
- realizzazione e messa a punto di un prototipo da laboratorio del sistema globale di misura;
- individuazione degli interventi necessari per il miglioramento delle prestazioni del sistema;
- trasporto e validazione sul campo del sistema distribuito di misura. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il monitoraggio dei fenomeni e delle grandezze di tipo ambientale rappresenta, oggi, un argomento di ricerca di estremo interesse. In tale ambito, il livello di progresso tecnologico raggiunto consente l'analisi dei fenomeni ambientali con un grado di approfondimento mai ottenuto in precedenza. In molte applicazioni di interesse scientifico-tecnologico, industriale ed anche sociale, è richiesto il monitoraggio di grandezze dislocate in diverse aree geografiche, per le quali il prelievo manuale dei dati da sensori distribuiti sul territorio, anche se l'area interessata è limitata, risulta antieconomico e non consente un rilievo tempestivo di eventuali anomalie. Si rende pertanto auspicabile il ricorso a soluzioni che prevedono l'acquisizione in tempo reale dei segnali con sistemi di misura distribuiti sul territorio e la loro trasmissione con periodicità fissa o variabile ad un'unità centrale di controllo.
Dallo studio dello stato dell'arte si evince che l'orientamento generale per il monitoraggio su scala locale di grandezze di interesse ambientale prevede la realizzazione di sistemi di misura distribuiti, basati su sensori intelligenti, capaci di realizzare in loco le misurazioni richieste per poi trasmettere e disseminare i risultati di misura su rete geografica.
Un aspetto chiave nella realizzazione di un sistema di misura distribuito risiede nella messa a punto di interfacce software-hardware per la trasmissione dei risultati, preferibilmente in forma numerica, dai sensori intelligenti di misura ai server locali di raccolta e nella distribuzione di tali dati su rete geografica. Nell'ambito della realizzazione di sistemi di misura distribuiti sul territorio, gli sviluppi conseguiti nel settore dei processori digitali di segnali e la loro disponibilità a costi sufficientemente bassi rendono oggi praticabile la progettazione e la realizzazione di architetture distribuite di sistemi di acquisizione dati intelligenti. In particolare, ai sistemi di misura locali può essere affidata non solo l'attività di acquisizione ma anche quella di memorizzazione, elaborazione e codifica dei dati, in modo da trasferire all'unità centrale un insieme di informazioni sintetico e completo. Altrettanto importante risulta la scelta dell'architettura della rete di trasmissione e di disseminazione dei dati di misura sul territorio ed ancora la compatibilità dei dati, indipendentemente dalla piattaforma utilizzata, la scelta di protocolli di comunicazione comuni per lo scambio dei dati, la qualificazione degli apparati per la trasmissione, la sicurezza degli accessi dei diversi "client" alle risorse del sistema.
In merito agli aspetti sopraccitati, oggi esiste un gran fermento nella ricerca di soluzioni (standard o, quantomeno, standard di fatto) capaci di garantire le compatibilità richieste dal corretto funzionamento di sistemi collaborativi distribuiti e indipendenti dalla piattaforma hardware e software. Tra le varie offerte del mercato, oggi sembra emergere per potenzialità la tecnologia basata sull'impiego dei cosiddetti "servizi web". Tale tecnologia consente di sviluppare applicazioni che possono essere facilmente eseguite, in modo collaborativo, su sistemi distribuiti realizzati con più computer collegati in rete. Un servizio web si presenta come una "classe" che consente ad una macchina di invocare "metodi" che risiedono su altre macchine utilizzando "formati di dati" e "protocolli di comunicazione" comuni. I servizi web sono implementati nell'ambiente ".NET Framework" in cui le chiamate ai vari metodi sono eseguite usando il protocollo SOAP (Simple Object Access Protocol), basato su XML, che descrive come contrassegnare le richieste e le risposte in modo che possano essere interpretate dagli "internet browser". Ne risulta che, con il protocollo SOAP, le applicazioni trasmettono dati in formato standardizzato con il conseguente vantaggio che l'implementazione specifica del servizio web (in termini di formato dei dati, linguaggio di programmazione, sistema operativo e piattaforma hardware) non crea alcun vincolo nei confronti del "client" che utilizza il servizio stesso.
La proposta di progetto intende realizzare e caratterizzare un sistema distribuito di monitoraggio ambientale e del territorio basato sull'impiego della piattaforma ".NET Framework". In particolare, l'architettura che si propone per realizzare il sistema di monitoraggio ambientale è di tipo gerarchico. In tale architettura, i sensori web comunicano con i server locali, localizzati a breve raggio, che hanno il compito di mantenere aggiornate le informazioni di un data base relativo ad un particolare "sito di misura". Le informazioni di misura saranno trasmesse ad un concentratore capace di garantire affidabilità e robustezza attraverso lo studio di correlazioni e sfruttando ad arte le ridondanze appositamente introdotte. Le informazioni risultanti saranno poi rese disponibili agli utilizzatori del sistema di monitoraggio, cioè "i remote clients", sotto forma di "servizi web". In tale ottica, sono state individuate sia le problematiche di maggior interesse sia le unità operative in possesso delle competenze specifiche richieste per affrontarle e risolverle.
La prima problematica che si intende affrontare è relativa alla raccolta dei dati. A tal riguardo, si pensa di mettere a punto un sistema di "sensori intelligenti", nel seguito denominati "sensori web", capaci di rispondere ad interrogazioni (query) formulate dai "remote clients", fornendo informazioni di misura affidabili, convertite in forma numerica, compatibili con i protocolli di comunicazione implementati nei servizi web. Per quanto attiene tale problematica, si intende differenziare lo studio in funzione della dinamica dei segnali di interesse e, pertanto, si intende lavorare parallelamente nella realizzazione di sensori web a bassa dinamica, come ad esempio sensori per la misura di livello e portata delle acque e ad elevata dinamica, come ad esempio sensori dedicati alla valutazione della qualità dell'energia elettrica.
La seconda problematica si riferisce alla comunicazione (i) tra i sensori web ed i server locali e (ii) tra i server locali ed i concentratori. Tale comunicazione potrà avvenire su rete cablata o con collegamento wireless. Mentre le problematiche connesse con il trasferimento dei dati su rete cablata sono abbastanza esplorate, sembra opportuno investigare maggiormente sui problemi connessi con le comunicazioni wireless. In particolare, si partirà da uno studio preliminare dei vari standard di comunicazione wireless a breve (comunicazione "sensore"-"server locale") e lungo raggio (comunicazione "server locale"-"concentratore") e conseguentemente sarà scelta la tecnologia più adeguata all'applicazione.
La terza problematica riguarda la caratterizzazione del sistema di monitoraggio nel suo complesso. Tale problematica è molto ampia e comprende (i) la caratterizzazione a livello fisico dei sensori web, degli apparati di trasmissione e ricezione, sia a breve sia a lungo raggio, e dei canali di trasmissione, (ii) la valutazione della qualità del servizio (QoS) assicurata dai protocolli utilizzati nei livelli superiori, e (iii) le misure di campo elettromagnetico al fine di valutare la compatibilità delle emissioni degli apparati di trasmissione con la normativa vigente e il livello di immunità dell'intero sistema di monitoraggio ad interferenze esterne.
Sulla base di queste problematiche, sono state individuate competenze specifiche presso le cinque Unità operative coinvolte nel progetto. In particolare:
- la prima unità operativa è da tempo impegnata nello sviluppo di metodi basati su elaborazione numerica preposti alla rilevazione ed alla misurazione del tempo di volo di echi ultrasonici. Tale attività risulta particolarmente importante per il progetto in quanto tecniche basate su ultrasuoni sono correntemente impiegate per il monitoraggio di grandezze ambientali a bassa dinamica, quali livello e portata. Inoltre, la stessa unità può fornire un significativo contributo nella strutturazione di una rete geografica e nella definizione e messa a punto di adeguate ed innovative metodologie di caratterizzazione degli apparati di trasmissione e ricezione a lungo raggio in ragione della notevole esperienza maturata negli ultimi anni. Tali competenze suggeriscono per l'unità lo sviluppo di una specifica area tematica del progetto relativa al prelievo dei dati di misura e loro disseminazione su rete geografica, con particolare riferimento alla realizzazione e caratterizzazione di sensori web, allo sviluppo di servizi web, ed alla valutazione della qualità della comunicazione a lungo raggio;
- la seconda unità operativa ha già sviluppato attività di ricerca relativa alla valutazione e monitoraggio della qualità dell'energia elettrica, principalmente in termini di definizione e messa a punto di appropriati metodi e strumenti di misura, e alla realizzazione di architetture di misura distribuite per applicazioni industriali. L'elevata dinamica che caratterizza i segnali peculiari alla rete di distribuzione dell'energia elettrica e l'esperienza maturata nella realizzazione di sistemi di misura distribuiti qualificano tale unità come idoneo candidato allo sviluppo di un'altra significativa area tematica del progetto relativa allo sviluppo ed alla caratterizzazione metrologica di sensori web a basso costo per il monitoraggio della qualità ed il controllo dell'energia elettrica;
- i ricercatori della terza unità operativa hanno già approfondito problematiche di misura connesse a trasmissioni wireless a corto raggio; nello specifico, hanno progettato e realizzato un'interfaccia per strumentazione elettronica di misura wireless basata su tecnologia Bluetooth. La caratteristica principale del sistema di interfaccia realizzato è costituita dal fatto che sia il modulo master sia gli slave sono stati pensati per poter essere applicati direttamente alle porte seriali RS232 rispettivamente di un personal computer o degli strumenti elettronici di misura impiegati nella stazione automatica di misura che si vuole realizzare. Tali competenze rendono l'unità particolarmente adatta ad affrontare le diverse problematiche relative allo sviluppo ed alla caratterizzazione del sistema di comunicazione a corto raggio tra sensori web e concentratori all'interno di un sito di misura;
- la quarta unità operativa ha acquisito negli ultimi anni specifiche competenze nell'ambito della caratterizzazione del canale di comunicazione GSM in presenza di multipath e fading e della valutazione della QoS a livelli della pila ISO/OSI superiori rispetto al livello fisico. In virtù di tali competenze, l'unità sarà responsabile dello sviluppo di un'area tematica relativa alla caratterizzazione dei canali di trasmissione ed al monitoraggio del sistema distribuito di misura;
- i ricercatori della quinta unità operativa hanno maturato esperienza nell'ambito delle misure di emissioni radiate e condotte ed hanno approfondito le tematiche relative alla misura di compatibilità elettromagnetica nei sistemi di acquisizione dati basati su PC. Le competenze maturate candidano l'unità a curare la caratterizzazione metrologica del sistema dal punto di vista della compatibilità delle emissioni con la normativa vigente e del livello di immunità del sistema a campi elettromagnetici esterni. <<<