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    

1°  REPORT  SEMESTRALE      Premessa  

   

  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).     Come   previsto   nello   studio   di   fattibilità,   al   fine   di   monitorare   e   di   dare   evidenza   dello   stato   di  avanzamento   delle   attività   progettuali   a   tutti   i   soggetti   coinvolti   nell’Unità   di   Ricerca,   è   prevista   la  redazione   di   relazioni   semestrali   da   parte   di   Fondazione  Montagna   sicura   ed   Envisens   Technologies   srl,  partner  finanziati;  tali  relazioni  saranno  pubblicate  online  nella  sezione  dedicata  sul  sito  web  di  Fondazione.      Attività  realizzate    

 È  stato  compiuto  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,  in  particolar  modo  è  stata  analizzata  la  modalità  di  trasmissione  delle  onde  radio  attraverso  materiali  come  il  ghiaccio  e  la  neve  ai  fini  dell’applicazione  della  tecnologia  RFID  per  il  progetto  MALATRÀ.  

La   scelta   dei   parametri   ambientali   da   misurare   e   la   definizione   delle   specifiche   del   sistema   da  sviluppare   sono   state   eseguite   a   partire   dall’analisi   bibliografica   condotta   e   mediante   confronto   con   i  colleghi  glaciologi  sulle  modalità  attuali  di  misura  e  sulle  esigenze  per  ottimizzare  le  operazioni.    

Le   campagne   di   test   saranno   programmate   durante   la   primavera   e   saranno   realizzate   a   partire  dall'inizio  estate.  

 È   stato   elaborato   un  project   charter   del   progetto   che   definisce   obiettivi,   contenuti   e  modalità   di  

attuazione  del  progetto  operativo.  Tale  documento  si  differenzia  dallo  studio  di  fattibilità  in  quanto  trattasi  di   un   documento   in   continuo   aggiornamento,   utile   al   monitoraggio   dello   stato   di   avanzamento   delle  attività.  

Al   fine   di   informare   gli   altri   soggetti   dell’UdR   sullo   stato   di   avanzamento   delle   attività   condotte  finora   congiuntamente   da   FondMS   ed   EST,   il   presente   report   sarà   inviato   agli   altri   partner   per   poter  

ricevere   input   utili   al   proseguo   della   ricerca.   Una   riunione   plenaria   dell’Unità   di   ricerca   sarà   organizzata  quando  le  attività  saranno  in  stato  maggiormente  avanzato.  

 Ridefinizione  delle  attività  e  del  timing    

Le  attività,  che  nello  studio  di  fattibilità  erano  previste  aver  inizio  a  settembre  2012,  hanno  subito  una   ridefinizione   di   timing   a   causa   del   ritardo   dell'avvio   del   progetto   rispetto   a   quanto   inizialmente  pianificato,  per   il  prolungarsi  delle  procedure  di  valutazione  e   le  richieste  di  rimodulazione  della  proposta  inizialmente  depositata.    

Inoltre  si  segnala  che  ulteriori  difficoltà  sono  dovute  al  perdurare  dell’assenza  di  un  borsista  FSE.  A  seguito   della   rinuncia   dei   candidati   ritenuti   idonei   in   fase   di   valutazione   (prima   valutazione   eseguita  congiuntamente  all’esame  dello  studio  di  fattibilità  –  come  previsto  dal  bando;  seconda  valutazione  attivata  a  causa  della  rinuncia  del  primo  candidato),  si  sta  verificando  quale  procedura  seguire  al  fine  di  sopperire  al  più  presto  a  tale  mancanza;  si  tratta  infatti  di  una  risorsa  imprescindibile  per  la  buona  riuscita  del  progetto,  dedicata  allo  sviluppo  elettronico  dei  dispositivi.      

Per  questi  motivi  è  stato  necessario  ridefinire  il  planning  delle  attività;  viene  di  seguito  riportato  il  piano  aggiornato  delle  attività.          

   

   

 

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8Coordinamento+scientificoAnalisi+bibliografica;+raccolta+dati+relativi+alle+proprietà+fisiche+del+ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+competenze+sui+componenti+elettroniciScelta+dei+siti+di+monitoraggioDefinizione+delle+specifiche+del+sistema:+frequenze+sensori+e+parametri+da+misurareSviluppo+dei+sensoriCampagna+di+test+in+ambiente+glaciale+e+riprogettazioneAnalisi+dei+dati+raccoltiDisseminazione+dei+risultatiAutomonitoraggio

2012 2013 2014

Coordinamento+scientificoAnalisi+bibliografica;+raccolta+dati+relativi+alle+proprietà+fisiche+del+ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+competenze+sui+componenti+elettroniciScelta+dei+siti+di+monitoraggioDefinizione+delle+specifiche+del+sistema:+frequenze+sensori+e+parametri+da+misurareSviluppo+dei+sensoriCampagna+di+test+in+ambiente+glaciale+e+riprogettazioneAnalisi+dei+dati+raccoltiDisseminazione+dei+risultatiAutomonitoraggio

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 122013

Coordinamento+scientificoAnalisi+bibliografica;+raccolta+dati+relativi+alle+proprietà+fisiche+del+ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+competenze+sui+componenti+elettroniciScelta+dei+siti+di+monitoraggioDefinizione+delle+specifiche+del+sistema:+frequenze+sensori+e+parametri+da+misurareSviluppo+dei+sensoriCampagna+di+test+in+ambiente+glaciale+e+riprogettazioneAnalisi+dei+dati+raccoltiDisseminazione+dei+risultatiAutomonitoraggio

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Sistema  di  misura  su  tecnologia  RFID    

Il   sistema   di  misura   basato   sulla   tecnologia   RFID   che   si   intende   sviluppare   nel   progetto  MALATRÀ   è  composto  principalmente  da:  

-­‐ tag:  placche  di  piccole  dimensioni  e  a  basso  costo  (per  cui  ne  è  accettabile  la  perdita  di  funzionalità  o  lo  smarrimento),  dislocate  in  campo.  Si  intendono  realizzare  dei  tag  che  avranno  la  caratteristica  di   essere   impermeabili,   resistenti   agli   agenti   atmosferici   e   alle   basse   temperature.   Particolare  attenzione  sarà  rivolta  alla  riduzione  dei  consumi  al  fine  di  aumentare  la  durata  delle  batterie;  

-­‐ sensori:  per   la  misura  di  diverse  grandezze   fisiche  del  ghiaccio.   Si   identificheranno  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   spegnere   il  sensore  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.    

 Le   reti   di   sensori   ambientali   hanno   il   vantaggio   di   essere   economiche,   ragionevolmente   semplici   da  

configurare  e  da  installare.  È  tuttavia  richiesto  un  impiego  di  risorse  da  spendere  in  obiettivi  strategici  come  la   miniaturizzazione   dell’elettronica,   la   progettazione   di   sistemi   di   alimentazione   a   bassa   potenza   e   la  realizzazione  di  un  apparato  di  trasmissione  radio  ad  hoc,  messo  a  punto  in  funzione  del  materiale  in  cui  si  opera.  

 Scenario  di  installazione    

L’obiettivo   che   si   intende   raggiungere   è   la  messa   a   punto   di   strumenti   in   grado   di  misurare   con  continuità   e   con   sufficiente   distribuzione   spaziale   determinate   grandezze   fisiche  del  manto  nevoso   e   del  ghiaccio.  Le  grandezze  fondamentali  nel  monitoraggio  in  oggetto  sono:  

• la   pressione   della   neve,   che   in   abbinamento   a  misure  manuali   di   profondità   consente   di  ricavarne   il   valore  della  densità,   importante  nel   calcolo  del  bilancio  di  massa   (BdM)  di  un  ghiacciaio;    

• la   pressione   del   ghiaccio   per   acquisire   conoscenze   più   approfondite   circa   le   sue  caratteristiche;    

• la   temperatura   del   ghiaccio   per   classificare   un   ghiacciaio   in   base   al   regime   termico,   se   a  base   “calda”   o   temperato   con   presenza   di   acqua   all’interfaccia   substrato/ghiaccio   o   se   a  base  “fredda”  o  polare  con  assenza  di  acqua  all’interfaccia  substrato/ghiaccio;  

• l’oscillazione  lungo  l’asse  verticale  misurata  all’interno  di  un  foro  nel  ghiaccio  per  stabilire  il  tipo  di  movimento  a  cui  è  soggetto  un  ghiacciaio  nel  corso  del  tempo.  

Dalle   analisi   condotte   dall’Unità   di   Ricerca   sull’impiego   operativo   dei   sensori   RFID   nelle   proprie  campagne  di  monitoraggio  dei  ghiacciai,  si  è  identificato  uno  scenario  tipo  di  riferimento  per  tali  sensori  che  possono  comportare  modalità  operative  differenti.  

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  delle  acque  di  fusione,  durante   la  quale   i   cristalli   di   neve,   che  hanno  un   contenuto   in   aria   superiore   al   90%,   si   ricristallizzano   in  cristalli  di  ghiaccio  il  cui  contenuto  in  aria,  sotto  forma  di  bolle,  è  inferiore  al  20%.    

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’interfaccias  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  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  alpini30.  

Volendo  studiare  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   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.       I   sensori   con   tecnologia   RFID,   oggetto   del   progetto  MALATRÀ   potranno   essere   installati   sia   nella  zona  di  ablazione  che  in  quella  di  accumulo.    Installazione  dei  sensori  RFID  nella  zona  di  accumulo  

In   considerazione   del   continuo   accrescimento   del   ghiacciaio,   in   questa   zona   si   può   prevedere  l’installazione  dei  sensori  mediante  escavazione  dello  strato  di  nevato  e  seppellimento  dei  sensori  stessi  al  di   sotto   di   questo   primo   strato.   Nel   tempo   il   sensore   si   sposterà   in   pianta   e   verrà   comunque   sempre  ricoperto   da   nuova   neve   che   andrà   ad   accrescere   lo   strato   di   neve   sopra   di   esso.   Il   personale   di   FMS  durante   le  campagne  glaciologiche  esegue  delle  trincee  per  eseguire  una  stratigrafia  del  manto  nevoso  al  fine  di  definirne  l’altezza  e  la  densità  dei  vari  strati.      

 FIGURA  2.  INSTALLAZIONE  DEI  SENSORI  RFID  NELLA  ZONA  DI  ACCUMULO  

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  del  foro  per  l’installazione  del  sensore.   Indicativamente   se  pensiamo  di   trovare  dai   3   agli   8  metri   di   neve   tale   pratica  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  vorrebbe  dire  impiegare  oltre  7  ore.    Installazione  dei  sensori  RFID  nella  zona  di  ablazione  

In   tale   zona   la   neve   che   si   può   trovare   in   primavera   scompare   totalmente   durante   l’estate  rendendo  visibile  il  ghiacciaio  sottostante.  Per  tale  motivo  sarebbe  auspicabile  riuscire  a  installare  il  sensore  RFID  direttamente  nel  ghiaccio  in  modo  da  poterlo  “seguire”  per  un  tempo  maggiore.  Una  soluzione  a  tale  problema   proviene   da   uno   strumento   utilizzato   nelle   campagne   glaciologiche   dal   personale   di   FMS   per  l’installazione  di  paline  ablatometriche:  una  sonda  a  vapore.  Tale  strumento  permette  di  eseguire  dei  fori  nella   neve   e   nel   ghiaccio   del   diametro   di   5,5   cm   e   della   profondità   massima   di   12   metri.   Un’ultima  opportunità   di   installazione   risiede   nell’impiego   delle   competenze   di   un   gruppo   di   speleoglaciologi   allo  scopo   di   posizionare   i   sensori   in   corrispondenza   di   crepacci   che   normalmente   nella   zona   di   ablazione  risultano  di  più  agevole  accesso.    

 FIGURA  3.  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   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  sensore.  In  tale  scenario  si  potrebbero  costruire  dei  tag  con  il  diametro  massimo  di  55  mm  (a   meno   che   non   si   faccia   realizzare   un   ugello   dal   diametro   maggiore   per   la   sonda   a   vapore,   ma   ciò  comporterebbe  maggiori  tempi  di  perforazione)  e  con  uno  sviluppo  in  lunghezza.    Ricerca  bibliografica  e  stato  dell’arte  nel  monitoraggio  di  ghiacciai    

E’   stata   eseguita   una   ricerca   bibliografica   al   fine   di   stabilire   lo   stato   dell’arte   delle   reti   WSN  (Wireless  Sensor  Network)  e  RFID  (Radio  Frequency  IDentification)  per  il  monitoraggio  dei  ghiacciai1.    

Alla  luce  della  complessità  dell’argomento,  non  tutta  l’analisi  riportata  in  seguito  è  utile  per  stabilire  le  specifiche  della  rete  WSN  da  realizzare,  ma  viene  fornita  una  buona  panoramica  dello  stato  dell’arte  per  il  monitoraggio  dei  ghiacciai18.  

 Composizione  di  una  rete  WSN     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;  • un  reader  per  interrogare  i  nodi.  

 Frequenza  di  funzionamento  dei  nodi  della  rete  WSN  

Per   quanto   riguarda   la   rete  WSN   il   progetto   GlacsWeb   (http://glacsweb.org/)  monopolizza   quasi  tutta  la  letteratura  scientifica  in  merito  e  costituisce  la  base  per  sviluppi  futuri13,  14,  15,  16,  17,  19,  20.    

Analizzandolo  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  delicato4,  10,  24.  

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  seguente7,  21,  29:  

 dove  La  è  la  “lunghezza  di  attenuazione”  nel  ghiaccio  pari  a:    

 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:  tale  valore  è  ammissibile.  

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  acqua6.    

Si   adotteranno   specifici   accorgimenti   elettronici/firmware   per   ridurre   i   consumi,   accorgimenti  meccanici  per  evitare  danneggiamenti  al  nodo  della  rete  WSN  e  nella  scelta  delle  antenne  che  deve  essere  effettuata  per  evitare  dimensioni  eccessive  delle  stesse;  si  considereranno  anche  le  antenne  elicoidali  e  non  solo  i  dipoli  classici,  come  indicato  dalla  letteratura  relativa  al  progetto  GlacsWeb.    Determinazione  della  posizione  dei  nodi  della  rete  WSN  

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”1.  

   

 Tabella  2.  Perdite  per  trasmissione  e  riflessione  nelle  interfacce  aria/ghiaccio/acqua  

   Si   ricorda  che  per  due  materiali  dielettrici  differenti,  che  presentano  pertanto   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!𝑍!  +  𝑍!

 =𝜀!  −   𝜀!  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  neve15.  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   localizzazione23   si   dovrebbe   determinare,   con   una   certa  approssimazione,  la  posizione  dei  nodi  WSN  precedentemente  collocati  nel  ghiaccio.    Altri  tipi  di  reti  per  monitoraggio  di  ghiacciai  

A  supporto  del  presente  progetto  MALATRÀ  è  da  ricordare  lo  sviluppo  della  rete  WSN  eseguita  nel  2010  che  ha  permesso  il  monitoraggio  della  velocità  del  seracco  delle  Grandes  Jorasses.  Tale  rete  basata  su  tecnologia  GPS  non  consente  di  ottenere  parametri  caratteristici  del  ghiacciaio,  ma  solamente  di  tracciare  i  loro  spostamenti.  L’esperienza  maturata  nel  posizionamento  GPS  verrà  ora  implementata  nel  reader  per  la  localizzazione  del  punto  di  misura11,  12.    Altre  tecnologie  per  il  monitoraggio  dei  ghiacciai  

Gran  parte  della  rimanente  letteratura  scientifica  sullo  studio  dei  ghiacciai,  è  relativa  a  GPR  (Ground  Penetrating  Radar)  e  RES  (Radio  Echo  Sounding)  per  stratigrafia  o  per  studiare  la  composizione  del  ghiaccio.  Qui  le  frequenze  usate  sono  tutte  inferiori  ai  900  MHz,  a  ulteriore  conferma  di  quanto  detto  in  precedenza,  e  variano  in  base  all'applicazione.  La  tecnologia  GPR  per  il  caso  in  esame  però  non  consente  di  determinare  la  posizione  dei  nodi  RFID  all’interno  del  ghiaccio  in  base  a  quanto  andiamo  ora  ad  esaminare.    

La  capsula  contenente  il  nodo  RFID  è  posta  in  foro  verticalmente  e  la  sua  forma  è  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)  viene  così  determinata:  σ  =  πr2=0.0024m2  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  4  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)    

 otterremmo  che  la  potenza  ricevuta  è  pari  a  Pr~  1e-­‐9  W,  ossia  praticamente  irrilevabile2,  8,  22,  25,  27,  28.      Prototipi  di  tag  RFID    

Viene  presentata  un’idea  di  realizzazione  dei  prototipi  di  tag  RFID  da  utilizzare  ed  integrare  in  una  rete  WSN  (Wireless  Sensor  Network)  e  in  seguito  definite  le  specifiche5.  

 Ipotesi  di  realizzazione  di  sensore  RFID  

La  figura  seguente  presenta  la  realizzazione  del  nodo  RFID.  Si  intende  infatti  realizzare  una  capsula  di  materiale  trasparente  alle  radiofrequenze  che  possa  essere  inserita  (possibilmente  in  posizione  verticale)  nel  foro  eseguito  con  sonda  a  vapore.  

   

 FIGURA  5.  Ipotesi  di  capsula  con  tag  RFID  

 E’  possibile  individuare:  

-­‐   una   parte   sovrastante   (esagonale   in   figura)   che   ospita   l’apparato   di   trasmissione.   Lo   spazio   a  disposizione  in  sezione  (diametro  di  circa  50mm)  non  permette  di  realizzare  antenne  ad  alto  guadagno  per  la  fascia  di  frequenze  utilizzate;  -­‐   una   parte   intermedia   che   ospita   la   scheda   (PCB:   Printed  Wiring   Board)   con   tutta   l’elettronica   di  controllo  del  tag  RFID,  le  interfacce  con  i  sensori  e  lo  stadio  di  alimentazione;  -­‐   una  parte  terminale  che  ospita  le  batterie  che  garantiscono  l’alimentazione  al  sistema.  Dato  il  peso  delle  batterie  è  conveniente   il  posizionamento  delle  stesse  nella  parte  terminale   in  modo  da  abbassare   il  baricentro   della   capsula   ed   impedire   sbilanciamenti   della   stessa   che   possano   imporre   un  movimento   di  rotazione  o  inclinazione  a  tutta  l’involucro;  inoltre  una  capsula  appesantita  sul  fondo  permetterebbe  un  suo  più   agevole   inserimento   in   fori   praticati   nel   ghiaccio,   qualora   dovessero   verificarsi   fenomeni   di  galleggiamento  dovuti  alla  permanenza  di  acqua  liquida  in  seguito  alla  fusione  con  sonda  a  vapore.  

 Specifiche  preliminari  tag  RFID  

Le   tabelle   seguenti   rappresentano   le   specifiche  che  sono  state   individuate  per   i   tag  RFID  e  per   la capsula che  costituiranno   i  nodi  della   rete  WSN,   insieme  alla  scelta  di  alcuni  modelli  di   sensori  necessari  per  il  monitoraggio  dei  ghiacciai.  È  da  notare  che  alcune  specifiche  sono  ancora  da  definire  e  lo  saranno  in  corso  d’opera.      

 Ambiente  operativo  

Range  di  temperature   -­‐25°C  a  +20°C  in  aria  Temperature  neve  –  ghiaccio   -­‐10°C  a  +1°C  Massima  profondità  di  installazione  dei  sensori   20  metri  Dimensione  fori   50  mm  Pressione  massima  del  ghiaccio   200  kPa  

Tabella  3.  Specifiche  ambiente  operativo    

 Comunicazioni  radio  

Frequenza   315  MHz  Potenza  in  uscita   100  mW  Antenna   Omnidirezionale  con  tipologia  da  definire  Wake-­‐up  ricevitore   Wake  on  radio  Protocollo   Custom/Ad-­‐hoc  

Tabella  4.  Specifiche  di  comunicazione  radio  tag  RFID  

Tecniche  di  localizzazione  nodi  WSN  GPR   NO  Tempo  di  volo  tra  nodi     NO  RSSI  (Received  Signal  Strength  Indicator)  based   SI  

Tabella  5.  Definizione  delle  tecniche  di  localizzazione  dei  nodi  WSN    

Alimentazione  a  batteria/consumi  Modello  Numero  di  batterie  

VARTA  1  

Tipologia  batterie   LiSOCl2  Tensione  nominale   3,6  V  

 

 Scheda  tecnica  batteria  Varta  

 Tabella  6.  Alimentazione  e  consumi  

 Sensoristica  

Temperatura   Sensore  analogico  su  scheda  con  risoluzione  di  0.1°C    

Orientamento  /inclinazione  

Sensore  digitale  di  accelerazione  MODELLO:  Analog  Devices3  ADXL354  REF:  http://www.analog.com/static/imported-­‐files/data_sheets/ADXL345.pdf    

Pressione   Sensore  di  pressione  su  scheda  MODELLO:  Honeywell  Silicon  Pressure9  SSCDANT030PG2A3  REF:  http://sensing.honeywell.com/honeywell-­‐sensing-­‐ssc-­‐digital-­‐silicon-­‐pressure-­‐sensors-­‐product-­‐sheet-­‐008213-­‐2-­‐en.pdf  

Tabella  7.  Sensoristica  da  integrare  

 Microcontrollore  

MODELLO:  Texas  Instrument  CC430F5135  REF:  http://www.ti.com/product/cc430f5135    

Tabella  8.  Microcontrollore    

Caratteristiche  meccaniche  capsula-­‐contenitore  Forma  involucro   Cilindrica  Materiale  involucro   Materiale  plastico  resistente  alle  alte  pressione  e  

impermeabile  Dimensione  PCB   40x100  mm  

 Schema  e  dimensionamento  dell'involucro  

 Tabella  9.  Caratteristiche  meccaniche  e  materiale  della  capsula  contenitore  

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