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AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE - CASSINO(FR)
All'interno del progetto di ricerca complessivo, che ha come obbiettivo la realizzazione di un sistema di monitoraggio ambientale distribuito mediante l'impiego della piattaforma ".NET Framework", il programma di ricerca dell'unità di Cassino è focalizzato allo sviluppo della stazione di misura locale e della comunicazione wireless tra i diversi componenti su piccole distanze. Come è dettagliato nel progetto complessivo, i sensori web per il monitoraggio ambientale comunicano con appositi concentratori, localizzati a breve raggio, che hanno il compito di mantenere aggiornate le informazioni del data base relativo al "sito di misura". Le informazioni rilevate sono quindi elaborate dal concentratore, utilizzando opportune correlazioni e sfruttando le ridondanze appositamente introdotte, al fine di garantirne l'affidabilità e la robustezza. I risultati sono poi resi disponibili agli utilizzatori del sistema di monitoraggio, cioè "i remote clients", sotto forma di "servizi web". In questa architettura, i compiti dell'unità di Cassino sono riferibili allo sviluppo ed alla caratterizzazione metrologica ed operativa delle stazioni di misura locali, con particolare riferimento (i) al sistema di comunicazione sensori-concentratori ed (ii) ai concentratori stessi. Un ruolo fondamentale per la funzionalità del sistema è ricoperto dalla scelta dello standard di comunicazione wireless fra i sensori ed il concentratore. Attualmente il mercato offre una grande varietà di soluzioni, caratterizzate da costi e prestazioni anche molto diversi tra loro, ed una scelta non oculata può comportare limitazioni nella funzionalità e nelle prestazioni del sistema complessivo. E' necessario, quindi, operare una attenta analisi delle tecnologie utilizzabili attraverso uno studio dei vari standard di comunicazione wireless a breve raggio, al fine di individuare la soluzione più idonea agli scopi. Attualmente non esiste una caratterizzazione delle diverse tecnologie nel loro complesso e soprattutto non sono presenti delle indicazioni chiare che possono indirizzare il progetto di un sistema di misura distribuito. Per quanto riguarda i concentratori, la soluzione da adottare deve possedere caratteristiche di compattezza ed economicità, unitamente alle idonee capacità elaborative necessarie al trattamento dei dati provenienti dai sensori. La struttura dei concentratori deve quindi prevedere sezioni per l'acquisizione, l'elaborazione e la memorizzazione temporanea dei dati. Al fine di massimizzarne le prestazioni, essa deve essere progettata e sviluppata ad hoc intorno ad un'unità di elaborazione priva di sistema operativo, di tipo microcontrollore oppure di tipo DSP (Digital Signal Processor), che abbia, sullo stesso chip oppure su un modulo esterno, un sottosistema di acquisizione dati per la conversione A/D dei segnali provenienti dai sensori. L'unità di elaborazione deve poter processare i dati acquisiti dal trasduttore allo scopo di estrarre le informazioni di interesse (ad esempio effettuando analisi statistiche) ed, allo stesso tempo, ridurre la quantità dei dati che dovranno essere conservati in un'area di memoria in attesa della trasmissione verso la stazione mobile. Dal punto di vista del consumo, l'individuazione della soluzione da adottare deve tener conto della possibilità di funzionamento, in assenza permanente di alimentazione dalla rete di distribuzione, attraverso sistemi basati su batteria e pannello fotovoltaico. La prima fase dell'intero programma di ricerca ha come oggetto la progettazione del singolo punto di misura da distribuire sul territorio, ed in particolare dell'unità di acquisizione, elaborazione e trasmissione dei dati provenienti dai sensori. Il progetto del sistema verrà completato dalle caratteristiche dell'interfaccia tra il sistema di acquisizione-elaborazione ed i sensori. Durante questa fase del progetto, si procederà anche all'acquisto delle apparecchiature necessarie allo sviluppo del prototipo. La seconda fase del programma di ricerca prevede la realizzazione del software per il prototipo del sistema di misura. Il software si comporrà dei seguenti moduli: a) Acquisizione dei segnali provenienti dai sensori; b) Pre-elaborazione dei dati rilevati; c) Elaborazione dei dati ai fini del monitoraggio ambientale; d) Gestione della memorizzazione dei dati. Nella terza ed ultima fase, il prototipo di sistema di misura verrà sottoposto ad un programma di prove sperimentali destinato a verificarne le prestazioni ed a consentire la regolazione fine ("tuning") dei parametri di funzionamento hardware e software. 1. Progettazione dell'architettura della stazione di misura e definizione delle specifiche delle attrezzature da acquistare (6 mesi). Il primo passo dell'intero programma di ricerca ha come oggetto la progettazione del singolo punto di misura da distribuire sul territorio. In particolare, come evidenziato nell'obiettivo, viene definita l'architettura dell'unità di acquisizione, elaborazione e trasmissione dei dati provenienti dai sensori. Tenendo conto delle specifiche che il singolo punto di monitoraggio ambientale deve soddisfare, in termini di numero delle grandezze da osservare e di dinamica da registrare, verranno determinate le caratteristiche di uscita dei sensori destinati ad essere impiegati nelle misure ambientali. Parallelamente, un'analisi comparativa degli standard di comunicazione wireless guiderà nella scelta della tecnologia più idonea da impiegare per il collegamento sensore-concentratore. Successivamente si potrà procedere alla definizione delle caratteristiche del sistema di acquisizione e conversione analogico/digitale dei segnali in termini di: a) numero e natura dei canali d'ingresso, b) risoluzione e massima frequenza di campionamento del dispositivo di conversione analogico/numerica, c) canali di uscita analogica. Numerosi sono i parametri da tenere in considerazione per la scelta della unità di elaborazione. La necessità di contenere il consumo di potenza della stazione di misura, al fine di estenderne il più possibile l'autonomia per consentirne il funzionamento anche in assenza di alimentazione proveniente dalla rete di distribuzione ENEL, guiderà la scelta del tipo di unità di elaborazione. Affinchè il fabbisogno di energia elettrica del sistema di acquisizione ed elaborazione possa essere soddisfatto da sistemi composti da celle fotovoltaiche e batterie, la ricerca verrà ristretta a soluzioni basate su architetture a microcontrollore, con CPU, memoria e sezione di acquisizione sullo stesso chip, oppure verso architetture basate su DSP (Digital Signal Processors), aventi CPU e sezione di acquisizione su chip distinti, installati sulla stessa scheda. Poiché numero di canali e frequenza di campionamento concorrono a determinare la quantità di dati da elaborare e memorizzare nell'unità di tempo, anche le caratteristiche individuate per la sezione di acquisizione dati costituiranno una voce da tenere in considerazione per la scelta dell'unità di elaborazione da impiegare. Da questo punto di vista, oltre che l'individuazione di una CPU avente velocità di calcolo adeguata, diventerà fondamentale l'individuazione di una CPU che abbia capacità di indirizzamento di un numero di word di memoria adeguato alla quantità di dati da memorizzare, e di una scheda che abbia la possibilità di ospitare chip di memoria esterni. D'altra parte, allo scopo di determinare le prestazioni minime della CPU in termini di velocità di calcolo, si studieranno gli algoritmi che dovranno essere applicati ai dati acquisiti, come, ad esempio, funzioni di analisi statistica dei dati, di estrazione di parametri ambientali (ad esempio, massimo e minima concentrazione nelle ultime 24 ore) oppure algoritmi di fitting di un particolare modello analitico ai dati acquisiti. Di tali algoritmi sarà valutata la complessità di calcolo in modo da fissare le prestazioni che dovrà avere la unità di elaborazione, sia in termini di velocità, sia in termini di quantità di memoria on chip da destinare al codice eseguibile. Il progetto del sistema verrà quindi completato dalla definizione delle caratteristiche dell'interfaccia tra il concentratore e l'utilizzatore remoto. Durante questa fase del progetto, si procederà anche all'acquisto delle attrezzature necessarie allo sviluppo del prototipo di sistema di misura locale, e degli strumenti di misura necessari sia alla fase di sviluppo, sia alla fase finale di verifica sperimentale. In particolare, non appena individuate le migliori soluzioni per la architettura della stazione di misura, sulla base delle specifiche precedentemente citate, si procederà all'acquisto delle unità di elaborazione scelte e dei relativi strumenti di sviluppo, sia hardware sia software. Risultati parziali attesi: Definizione delle specifiche relative al singolo punto di misura da distribuire sul territorio e del piano di lavoro esecutivo del progetto. Costo previsto: 15.000 € 2. Sviluppo del software di acquisizione, elaborazione e trasmissione dati, e realizzazione del prototipo di sistema di misura (12 mesi). La seconda fase del programma di ricerca prevede la realizzazione del software per il prototipo del sistema di misura. Il software si compone dei seguenti moduli: a) Acquisizione dei segnali provenienti dai sensori; b) Pre-elaborazione dei dati rilevati; c) Elaborazione dei dati ai fini del monitoraggio ambientale; d) Gestione della memorizzazione dei dati. a) Tale sezione é strettamente dipendente dal tipo di soluzione adottata per la comunicazione wireless sensore-concentratore. b) I segnali provenienti dai sensori richiedono una pre-elaborazione orientata in primo luogo alla loro conversione nella grandezza misurata. Inoltre, possono rendersi necessari algoritmi di linearizzazione della caratteristica, filtraggio, miglioramento del rapporto segnale/rumore. Appositi algoritmi verranno definiti per ogni classe di dispositivi di traduzione. c) Le grandezze misurate (temperatura, umidità, concentrazione di sostanze gassose inquinanti) vanno trattate statisticamente per produrre le informazioni necessarie al monitoraggio delle condizioni ambientali, in un formato sintetico (medie, varianze, massimi e minimi in definiti intervalli di tempo) che riduca al minimo indispensabile il fabbisogno di memoria. Anche in questo caso verranno definiti opportuni algoritmi per ognuna delle grandezze misurate. d) La memorizzazione dei dati dovrà garantire il salvataggio e l'archiviazione continua dei parametri sintetici prodotti dal software di elaborazione, nonché il loro download quando richiesto dall'unità mobile. Inoltre, verranno sviluppate delle opportune tecniche di compressione e/o decimazione dei dati che permettano anche di gestire il mancato download. Risultati parziali attesi: Sviluppo del prototipo Costo previsto: 45.000 € 3. Verifica sperimentale del prototipo e tuning del software (6 mesi). Il prototipo di sistema di misura verrà sottoposto, una volta completata la fase di sviluppo, ad un programma di prove sperimentali destinato a verificarne le prestazioni a seguito dell'integrazione del sistema complessivo ed a consentire la regolazione fine ("tuning") di parametri di funzionamento sia hardware sia software. In particolare verranno verificate le seguenti funzioni: - acquisizione continua (senza soluzione di continuità) dei segnali provenienti dai sensori; - pre-elaborazione ed elaborazione dei dati in tempo reale; - memorizzazione dei dati sintetici prodotti dal modulo di elaborazione, sia in condizioni di regolare e periodico download da parte dell'unità mobile, sia in caso di mancato download. - trasmissione senza perdita di pacchetti dei dati da sistema di misura ad unità mobile di raccolta e dei comandi da unità mobile a sistema di misura. Si misureranno parametri quali: consumo e quindi autonomia, affidabilità della trasmissione, capacità di memorizzazione, massimo intervallo di tempo intercorrente tra un download ed il successivo senza perdita di dati. In un processo iterativo di verifica e affinamento dei parametri si arriverà alla ottimizzazione definitiva di tutti i componenti del sistema di misura e trasmissione dati: massima frequenza di campionamento, lunghezza dei filtri FIR, lunghezza della media mobile, numerosità dei campioni per la trattazione statistica, lunghezza del buffer circolare di acquisizione e memorizzazione, rapporto di compressione dei dati in caso di mancato download, lunghezza dei pacchetti in trasmissione e ricezione. Infine verrà effettuato il dimensionamento della parte di alimentazione del sistema in termini di capacità della batteria e di potenza del pannello fotovoltaico e del regolatore elettronico destinati a mantenere costante il livello di carica della batteria. Risultati parziali attesi: Messa a punto e caratterizzazione del prototipo. Costo previsto: 20.000 €
