UNIVERSITA’ DI FIRENZE

DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRONOMICHE

E GESTIONE DEL TERRITORIO AGRO – FORESTALE

“ Attività di collaborazione nell’ambito del progetto AGRO-SMART”

Rapporto finale

Specifiche tecniche e funzionale dei sensori

S. Orlandini, P. Battista, B. Rapi, A. Dalla Marta, M. Petralli, M. Romani

Firenze ottobre 2008

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Indice

1 . Introduzione 3

2. Le grandezze agrometeorologiche 4

2.1 Temperatura dell’aria 5

2.2 Umidità dell’aria 5

2.3 Pressione atmosferica 6

2.4 Precipitazioni 7

2.5 Radiazione solare 8

2.6 Vento 9

2.7 Temperatura del suolo 9

2.8 Umidità suolo 10

2.9 Bagnatura fogliare 12

3. Caratteristiche metrologiche e di impiego di uno strumento 13

3.1 Caratteristiche metrologiche di uno strumento 13

3.2 Caratteristiche di impiego di uno strumento 18

3.3 Specifiche metrologiche dei sensori per la misura delle principali grandezze agrometeorologiche 19

3.4 Schermatura del termoigrometro 23

4. Stato dell’arte della strumentazione 26

4.1 Smart sensors 33

4.2 Rete di monitoraggio AGRO-SMART 36

5. Bibliografia 40

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1. Introduzione

Il clima di una località è rappresentato dall’insieme delle condizioni atmosferiche che lo caratterizzano durante il medio periodo e la sua conoscenza permette di adattare le diverse attività umane, oltre alle caratteristiche ambientali, alle condizioni meteorologiche che si possono realmente presentare.

Lo studio delle relazioni fra colture e clima ha portato a notevoli risultati soprattutto nella difesa delle colture dalle avversità fisiche, nella previsione di infestazioni da crittogame o da insetti, nella programmazione della irrigazione. Negli ultimi anni si sta facendo strada una nuova visione in cui si modifica il concetto di clima che cessa di essere considerato un elemento da cui difendersi e diventa anche una risorsa da utilizzare nel più efficiente dei modi.

Il concetto di clima come risorsa può essere dettagliato in modo preciso a partire dagli elementi più ovvi, come la quantità di energia solare e di precipitazione e la loro distribuzione temporale, fino a definire come risorsa l'azione integrata degli organismi e del clima. Si arriva così al concetto di microclima, in cui si prendono in considerazione i fenomeni fisici di scambio di calore e quantità di moto che si manifestano fra l'ambiente e gli esseri viventi alla scala di grandezza di questi ultimi.

Il clima dunque può essere considerato una risorsa, in quanto la biomassa prodotta è funzione dell'energia e dell'acqua disponibile. Nota la quantità di energia e di precipitazione per una certa area e la loro distribuzione, possono essere studiati dei calendari di colture che rendano massima la produzione di biomassa durante l'intero ciclo annuale. D'altra parte il clima costituisce anche un elemento di controllo, attraverso la distribuzione della temperatura e della lunghezza del giorno, che attiva certe fasi fonologiche nei sistemi vegetali. Noti i meccanismi fisiologici è possibile programmare opportunamente le operazioni agricole in modo da raggiungere il massimo rendimento delle stesse.

Per valutare il grado di efficienza delle risorse climatiche è necessario: o definire i parametri climatici di maggior rilevanza per i fenomeni biologici; o definire la modalità di elaborazione di tali parametri in modo da utilizzarli come ingressi a

modelli fenologici, fitopatologici e di produttività; o definire i microclimi a partire dal mesoclima la cui interazione con la morfologia del terreno,

con le associazioni vegetali e con le strutture antropiche determina i primi; o identificare una serie di parametri standardizzati con i quali descrivere il comportamento degli

organismi in relazione al clima; o elaborare modelli fenologici, fitopatologici e di produzione.

In questo contesto nasce l'Agrometeorologia intesa come lo studio delle relazioni intercorrenti tra organismi viventi e atmosfera, e dei processi che in essa si verificano, nonché delle applicazioni relative. In altre parole l'agrometeorologia si occupa dello studio delle interazioni fra fattori meteorologici e idrologici da una parte e l'agricoltura nella sua eccezione più ampia (orticoltura, allevamento, selvicoltura...) dall'altra. Il campo di indagine si estende quindi dallo strato di terreno

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occupato dalle radici, allo strato d'aria nel quale vivono piante e animali che va dal suolo fino ai livelli più alti dell'atmosfera in cui avviene il trasporto di semi, polline, spore e insetti.

Oltre allo studio del clima naturale e delle sue variazioni locali, l'agrometeorologia si occupa anche delle modificazioni dell'ambiente apportate, ad esempio, da frangivento, irrigazione, difesa antigelo ecc., delle condizioni ambientali nelle serre, nei tunnel, nelle camere di crescita ecc., delle condizioni climatiche nei magazzini e nei contenitori per il trasporto dei prodotti agricoli e infine delle condizioni ambientali nei ricoveri per animali e nelle case coloniche.

La conoscenza delle risorse ambientali disponibili e la previsione delle condizioni nello strato che va da sotto la superficie del suolo, attraverso l'interfaccia suolo-aria, alla bassa atmosfera, fornisce una guida per decisioni strategiche per piani ad ampio raggio di sistemi agricoli. Tipici esempi sono la stesura di programmi di irrigazione, la gestione del territorio e gli indirizzi colturali, la selezione delle colture e degli animali (varietà e razze) la scelta delle macchine agricole.

Valutazioni dettagliate in tempo reale degli elementi meteorologici e di indici da essi derivati, sono invece importanti per decisioni a tempi brevi, cioè per piani agricoli a breve termine siano essi a basso costo (pratiche colturali quale semina, coltivazione e raccolto) o ad alto costo (applicazione di prodotti chimici o misure di protezione).

Indipendentemente dal tipo di decisione una appropriata comprensione degli effetti del tempo e del clima sul continuo suolo-pianta e di conseguenza sulla produzione agraria, è necessaria per un uso efficiente delle informazioni meteorologiche e climatologiche in agricoltura.

2. Le grandezze agrometeorologiche

I concetti di climatologia, meteorologia e agrometeorologia, pur nella loro semplicità. spesso non appaiono sufficientemente chiari a coloro che si avvicinano per la prima volta a queste discipline, avendo difficoltà a definire i limiti delle tre materie. Se la climatologia studia l’andamento medio del tempo in un periodo sufficientemente lungo, la meteorologia analizza le condizioni atmosferiche che interessano una determinata località nell'istante in cui si osservano. L'agrometeorologia è invece la scienza che studia le relazioni tra l’ecosistema agricolo-forestale ed i fattori meteorologici e idrologici, cercando di dare anche indicazioni utili ad una migliore gestione delle attività agricole, zootecniche e forestali.

L’agrometeorologia utilizza quindi i dati e le informazioni meteorologiche, per integrarle con dati e informazioni proprie o provenienti da altre discipline, come la biologia e l’agronomia, per ricavarne considerazioni diverse. A tal fine, oltre alle grandezze fisiche tipiche della meteorologia, ne vengono considerate altre di interesse specifico. Le principali grandezze meteorologiche sono: o Temperatura dell’aria o Umidità dell’aria o Pressione atmosferica o Precipitazioni o Radiazione solare o Vento

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Una stazione agrometeorologica completa rileverà le stesse grandezze, più alcune d’interesse specifico, tra le quali le più comuni sono: o Temperatura del suolo o Umidità del suolo o Bagnatura fogliare

Queste grandezze parametri possono variare nel tempo in modo continuo, come la temperatura e l’umidità, o in modo discreto, come la pioggia. Pertanto si esprimono sull’intervallo del giorno con il valore massimo e il valore minimo (es. temperatura massima, temperatura minima) o mediante la sommatoria (es. precipitazione giornaliera totale). Nei paragrafi seguenti diamo una breve definizione delle grandezze prese in esame (Battista et al., 2000; Battista et al, 2002; Benincasa et al, 1999).

2.1 Temperatura dell’aria

La temperatura è quella grandezza fisica che definisce la quantità di calore di un corpo o meglio permette di quantificare la sensazione soggettiva di caldo o di freddo, cioè di associare un numero, che è appunto chiamato temperatura, ad ogni stato termico in modo che un numero maggiore corrisponda a un corpo soggettivamente più caldo e uno stesso numero a corpi soggettivamente ugualmente caldi.

La temperatura dell’aria è misurata all’ombra e viene espressa in gradi Celsius (°C) o in gradi Kelvin (K). Dipende dalla radiazione solare che giunge sul terreno, dalla radiazione infrarossa emessa dalle superfici e dalle caratteristiche termiche delle masse d’aria in transito. Nel corso del giorno, la temperatura dell'aria raggiunge il suo minimo, Tmin, poco prima dell’alba, e il massimo, Tmax, alle ore quattordici. La differenza tra questi due valori rappresenta l'escursione termica giornaliera. Il valore minimo nel corso dell'anno si ha poco prima dell’equinozio di primavera (21 marzo) ed il massimo dopo il solstizio d’estate.

I valori di temperatura vengono considerati per varie applicazioni, quali il calcolo delle condizioni di benessere per l’uomo e gli animali, la progettazione degli edifici e degli impianti di riscaldamento, il calcolo dell'evapotraspirazione. In ambito alimentare una notevole importanza viene attribuita al controllo della temperatura per la conservazione delle derrate e per i processi di trasformazione.

Per la misura della temperatura dell'aria vengono utilizzati i termometri, posizionati all'ombra, a 2 m da terra.

2.2 Umidità dell’aria

E' costituita da acqua allo stato di vapore presente nella miscela gassosa che costituisce l'aria stessa. Si esprime come umidità assoluta ,X (g/cm3 o kg/cm3), umidità relativa, UR (%) e pressione di

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vapor d’acqua, e (Pa) ; molto spesso sono si calcolano anche i valori di deficit di saturazione (vapour pressure deficit o VPD in hPa) o la temperatura del punto di rugiada (°C).

L’umidità assoluta (X) è la massa di vapore per unità di volume, mentre l’umidità relativa UR è il rapporto, ad una data temperatura, fra il contenuto reale in vapor d’acqua dell’aria (espresso come pressione reale del vapore, e) e quello che ci sarebbe se questa fosse satura (pressione di saturazione, es):

UR =100 e/es

Questa definizione dipende dal fatto che un volume d’aria ad una data temperatura può contenere un valore massimo di vapore acqueo, oltre il quale si verifica la condensazione. In sostanza il valore percentuale esprime quanto siamo distanti dalla condizione di saturazione. Il deficit di saturazione è, quindi, la differenza fra il contenuto in vapor d’acqua dell’atmosfera e quella che ci sarebbe alla saturazione a quella temperatura.

VPD = es – e

La temperatura del punto di rugiada rappresenta la temperatura alla quale si deve raffreddare un dato volume d'aria, perché il vapore in essa contenuto raggiunge la saturazione. Tutti i modi con i quali si esprime l’umidità atmosferica sono equivalenti e, con opportune conversioni, è possibile, nota la temperatura dell'aria, ricavare l’uno dall’altro. L’umidità relativa varia durante il giorno con un massimo in corrispondenza della temperatura minima ed un minimo in corrispondenza di quella massima. Durante l’anno i valori più elevati si registrano nei mesi invernali.

La conoscenza dell’umidità dell’aria è molto importante per numerose applicazioni, determinando ad esempio la richiesta evapotraspirativa e le condizioni di sviluppo di numerosi funghi o patogeni.

Per la misura dell'umidità dell'aria vengono utilizzati gli igrometri o i psicrometri, posti a circa 2 m da terra.

2.3 Pressione atmosferica

La pressione atmosferica rappresenta la forza riferita all’unità di superficie che l’aria esercita in ogni punto dello spazio atmosferico e sulla superficie terrestre; ad ogni quota, la pressione rappresenta quindi il peso della colonna d’aria di sezione unitaria, che si estende da quella quota fino al limite estremo dell’atmosfera. Tale peso è funzione della densità dell’aria, la quale a sua volta è funzione della temperatura; quindi all’aumentare dell’altitudine si ha una diminuzione della pressione, diminuzione però non proporzionale alla quota poiché gli strati più elevati presentano una minore densità dell’aria. In meteorologia la pressione si esprime in mbar o in hPa, che rappresenta l’unità standard internazionale (1 mbar = 1 hPa).

Alle nostre latitudini, a livello del mare, si può considerare il valore standard di 1013 mbar mentre la diminuzione di pressione con la quota può essere stimata in circa 1 mbar ogni 8.5 m,

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questo dal livello del mare fino alla quota di 500 ÷700 m. Per quote superiori a 700 m, la diminuzione di pressione in funzione dell’altitudine risulta minore (Tab. 2.1):

Tab. 2.1 - Andamento della pressione in funzione della quota.

Altitudine (m)

Pressione Atmosferica (mbar)

0 1013 111 1000 988 900 1949 800 3012 700 4206 600 5574 500

Le variazioni spaziali della pressione sono dovute a campi termici e dinamici e attraverso tali variazioni è possibile seguire la traiettoria dei centri di alta e bassa pressione e delle perturbazioni ad essi associate.

Per la misura della pressione atmosferica si utilizzano i barometri.

2.4 Precipitazioni

Le precipitazione possono essere classificate in relazione allo stato fisico dell'acqua e alle dimensioni delle singole particelle in: rugiada, brina, pioviggine, pioggia, neve, nevischio, grandine e nebbia. Le unità di misura utilizzate sono i millimetri d'acqua, per la pioggia, e i centimetri di neve o millimetri equivalenti d'acqua per la neve.

Il millimetro di pioggia si riferisce all'altezza raggiunta dall'acqua piovana caduta sulla superficie di un metro quadrato su un suolo pianeggiante, senza che avvengano perdite dovute all'evaporazione o allo scorrimento orizzontale lungo la superficie. Poiché un litro d'acqua corrisponde ad un volume pari ad un decimetro cubo, ne consegue che ogni millimetro di pioggia equivale ad un litro d'acqua caduta su un metro quadrato di terreno.

Le precipitazioni sono la conseguenza della presenza di nubi, che a loro volta dipendono dalla circolazione generale dell’atmosfera e dall'interazione delle masse d’aria con la superficie della terra e con quella del mare. La loro distribuzione durante l’anno è funzione della zona climatica e varia grandemente da una regione all’altra. Anche la variazione tra un anno e l’altro, per uno stesso periodo (variabilità interannuale), può essere assai marcata. Oltre al valore cumulato di pioggia, per un ogni singolo evento, si può anche misurare l’intensità, che viene espressa in mm h-1. Nei riepiloghi giornalieri si riporta il solo valore totale, mentre nei riepiloghi mensili, oltre al valore totale, si riporta anche il numero di giorni nei quali si è verificata la pioggia.

I valori di precipitazione vengono utilizzati per molteplici scopi, tra i quali si annoverano: o la stima delle risorse idriche (acqua potabile, per usi civili ed industriali);

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o il calcolo delle portate dei fiumi, per la stima del rischio alluvionale; o la stima di risorse idroelettriche; o calcoli d'ingegneria civile, per il dimensionamento di fogne, docce, canali, drenaggi, strade,

fondazioni, ecc. o la valutazione dello stato delle falde idriche e della loro alimentazione; o la programmazione dell'irrigazione, per il calcolo relativo alla costruzione di invasi per

l’agricoltura; o la stima del rendimento delle colture in combinazione con radiazione solare e temperatura; o il calcolo dei premi assicurativi in agricoltura (ricorrenza della grandine, brinate); o i calcoli per la conversione in energia meccanica (mulini, segherie, ecc.); o la gestione delle piste da sci (neve); o la stima della visibilità stradale e delle rotte navali (frequenza ed intensità della nebbia); o la stima della concentrazione di inquinanti nei corsi d’acqua e nelle falde.

Le precipitazioni sono misurate tramite pluviometri, con un sistema di riscaldamento della bocca nel caso si voglia misurare i millimetri equivalenti d'acqua per la neve.

2.5 Radiazione solare

La radiazione solare rappresenta la sorgente d’energia per tutti i processi biologici e contribuisce a determinare il clima della terra: per questo è di fondamentale importanza in natura. Essa è distinta in tre componenti a seconda della lunghezza d’onda: l’Ultravioletto (dai 100 nm ai 400 nm), il Visibile (dai 400 nm ai 750 nm) e l’Infrarosso (dai 750 nm ai 3000). La radiazione che arriva al suolo è quella la cui frequenza è compresa fra 290 nm e 1550 nm, la restante viene assorbita dallo strato di ozono, dall’anidride carbonica e dalle nubi. I flussi di radiazione solare di maggior interesse dal punto di vista meteorologico sono: o Radiazione globale o Radiazione diffusa o Radiazione diretta o Radiazione riflessa o Radiazione netta o Radiazione UV

Radiazione solare globale

È la radiazione a onde corte (0.3 ÷ 3 µm) misurata a terra su un piano orizzontale, che giunge direttamente dal Sole (radiazione diretta) o che viene diffusa per effetto delle nuvole o di altri componenti dell’atmosfera (radiazione diffusa). L’insieme delle componenti diretta e diffusa è definita radiazione globale e si esprime in watt m-2 (o cal cm-2 min-1). Nei riepiloghi giornalieri e in quelli mensili si indica il valore totale del periodo considerato espresso in MJ m-2. Questi dati sono

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utilizzati per fini diversi, come ad esempio il calcolo dell'evaporazione, la progettazione bioclimatica, il dimensionamento dei pannelli solari ecc..

La radiazione solare, durante il giorno, varia in relazione all’altezza del sole sull’orizzonte, raggiungendo il suo massimo a mezzogiorno. La quantità totale giornaliera varia in funzione dell’altezza del sole a mezzogiorno e della lunghezza del giorno. Durante l’anno la radiazione varia in funzione della posizione reciproca sole-terra, presentando nell'emisfero Nord un massimo al solstizio d’estate (21 giugno) ed un minimo al Solstizio d’inverno (21 dicembre). Nell'emisfero Sud il fenomeno ha un andamento inverso.

Gli strumenti utilizzati per la misura della radiazione globale sono detti solarimetri o piranometri.

2.6 Vento.

Il vento è prodotto dallo spostamento di una massa d’aria. Tale spostamento è determinato, sia alla scala della circolazione generale dell’atmosfera sia a scala locale, da differenze di pressione dell’atmosfera, che componendosi con il moto terrestre e con l’attrito delle superfici danno luogo al vento. Il vento è descritto da due componenti: l’intensità, che si misura in metri al secondo (m s-1) e la direzione, che si esprime in gradi (°) ed indica la direzione di provenienza, posto il nord geografico uguale a zero e il sud pari a 180°. Per indicare la direzione del vento si usa quella di provenienza delle masse d’aria.

Il vento è una componente importante dei fenomeni meteorologici e la sua distribuzione nel corso dell’anno segue degli schemi relativamente ripetitivi, che rappresentano la circolazione generale dell’atmosfera.

Nei riepiloghi giornalieri, il vento è indicato mediante il valore medio (m s-1) o come vento sfilato (km), corrispondente alla distanza che avrebbe percorso nel giorno una massa d’aria avente uguale velocità. Inoltre può essere espresso anche in termini di frequenza della direzione di provenienza, considerando una misura ogni tre ore (8 misure il giorno).

L’intensità del vento si misura con l’anemometro e la direzione del vento con il gonioanemometro (o banderuola).

2.7 Temperatura del suolo

La temperatura del suolo è misurata da sonde inserite nel terreno fra 50 e 100 mm e viene espressa in gradi Celsius (°C) o in gradi Kelvin (K). I sensori per la misura della temperatura del terreno non devono avere particolari caratteristiche salvo la robustezza che ovviamente deve essere elevata (Fig. 2.1). A questo proposito il sensore viene inserito in un contenitore metallico (acciaio inox, alluminio) o plastico (PVC, Teflon), materiali che offrono un’alta resistenza alla corrosione per le misure in suolo o acqua.

La dimensione del contenitore deve essere contenuta, non tanto per non aumentare l’inerzia, dato che le variazioni di temperatura del terreno sono sempre assai lente, ma per evitare di integrare la

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misura su uno spessore troppo grande. Questo risulta particolarmente importante nel rilievo di profili di temperatura, dove la quota a cui è posto il sensore è di grande importanza e può essere esattamente definita solo nel caso di sensori puntiformi. Altro aspetto da curare è il contatto fra sonda e suolo poiché anche una piccola intercapedine d’aria fra questi, può introdurre una resistenza termica tale da falsare la misura.

Figura 2.1 - Sensore di temperatura del terreno

2.8 Umidità del suolo

L’umidità del suolo corrisponde al contenuto in acqua del terreno e si esprime come percentuale di acqua contenuta nell’unità di massa o di volume del terreno (%) o in forma di potenziale idrico, che rappresenta la forza con la quale il terreno trattiene l’acqua (bar o Pa) e quindi il lavoro necessario ad allontanare l’acqua dal terreno (Benincasa et al., 1990).

Considerando un campione di terreno, l’umidità massiva o ponderale, Θp, è definita come rapporto tra la massa d’acqua contenuta nel campione e la massa della parte solida asciutta (peso secco1); essa viene indicata anche col termine di umidità ponderale poiché, in uno stesso luogo, il rapporto fra le masse coincide con il rapporto tra i corrispondenti pesi:

secco pesosecco peso - umido peso

secco pesoacqua peso

p ==Θ

L’umidità volumetrica, Θv, è definita come il volume d’acqua contenuto nel campione di terreno in rapporto al volume totale (volume apparente):

tetà apparenco / densisecpeso acqua / densitàpeso acqua

arentevolume appuavolume acq

==Θv

Nei suoli sabbiosi l’umidità volumetrica alla saturazione, cioè quando l’acqua occupa tutti i pori, è dell’ordine del 40 %; nelle stesse condizioni, per i terreni di medio impasto e per quelli argillosi si hanno rispettivamente valori del 50 % e 60 %.

1 Per peso della parte solida asciutta si intende il peso del campione di terreno dopo una sua permanenza di 24 ore in una stufa a 105 °C. Occorre osservare che in tali condizioni il terreno, e in particolare le argille, possono contenere ancora quantità apprezzabili di acqua.

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Se invece si considera il rapporto acqua-terreno dal punto di vista energetico, si parla di potenziale idrico. Nel caso di terreno saturo la forza con cui questo trattiene l’acqua (potenziale idrico) è nulla; man mano che il terreno perde acqua, il suo potenziale diminuisce: ciò significa che l’acqua nel terreno non è libera, ma è trattenuta da forze che esercitano una pressione negativa sull’acqua stessa, per cui è necessario un lavoro per sottrarre acqua al sistema.

Il concetto di potenziale idrico permette di spiegare i motivi per cui terreni che hanno tessiture diverse, trattati nello stesso modo, possono avere differente umidità (Fig. 2.2), o perché le piante crescono in maniera diversa su suoli diversi ma aventi la stessa umidità .

Figura 2.2 - Potenziale matriciale in funzione del contenuto idrico e della tessitura.

In relazione al rapporto con le piante, le soglie critiche d'umidità sono capacità di campo (CC) e il punto di appassimento (PA). La capacità di campo esprime il contenuto di umidità nel suolo corrispondente al limite superiore dell'acqua disponibile e corrisponde approssimativamente ad un potenziale matriciale di -30 kPa (-0.3 bar) nella maggioranza dei suoli ed a -10 kPa (-0.1 bar) in suoli sabbiosi. Il punto di appassimento corrisponde al limite inferiore dell'acqua disponibile. La differenza tra i valori di CC e PA rappresenta l’acqua disponibile (AD). Questo valore è espresso come grammi di acqua/grammi di suolo, o come millimetri di acqua/metro di suolo.

I metodi di misura possono essere suddivisi in due categorie: metodi diretti e metodi indiretti. I primi richiedono il prelievo di campioni di terreno, da cui si estrae e si valuta il contenuto idrico, con conseguente distruzione del campione medesimo: metodo gravimetrico e piastre di Richards (potenziale idrico). Questo non consente quindi la ripetibilità della misura nello stesso posto, se non con modifiche del sistema oggetto del monitoraggio (AA.VV., 1997; Juculano et al., 1993).

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I metodi indiretti prevedono la determinazione di proprietà fisiche o chimico-fisiche del terreno influenzate dal suo contenuto idrico. Questi metodi, in genere, non comportano la distruzione dei campioni e utilizzano sensori che possono essere anche inseriti in modo permanente nel suolo, permettendo un monitoraggio in continuo, ma in generale richiedono calibrazioni più laboriose e, in alcuni casi, ripetute per differenti tipi di suolo.

L’umidità del suolo può essere misurata con il metodo gravimetrico, con sonde basate sul metodo neutronico o su metodi elettromagnetici: impedenzometria, riflettometria nel dominio del tempo (TDR), riflettometria nel dominio della frequenza (FDR). Il potenziale idrico può essere misurato mediante piastre di Richards, sensori igrometrici e tensiometri.

Il metodo di misura dell'umidità del terreno che costituisce il riferimento per la messa a punto di tutti gli altri è il metodo gravimetrico. Esso consiste nel prelievo di un campione di terreno, alla profondità voluta, che viene pesato (peso fresco) e poi essiccato a 105 °C per circa 24 ore. Il campione essiccato viene nuovamente pesato (peso secco). Il rapporto fra la differenza peso fresco – peso secco e il peso del campione secco dà una indicazione dell’umidità del campione stesso.

2.9 Bagnatura fogliare

La bagnatura fogliare rappresenta il tempo durante il quale la foglia rimane bagnata e si esprime in minuti od ore. E’ un parametro molto importante per la previsione dell’insorgenza dei processi infettivi di molte patologie ed è per questo utilizzata come variabile guida in numerosi modelli epidemiologici.

La bagnatura fogliare rappresenta quindi lo stato di bagnatura della vegetazione oggetto dell’osservazione, dovuta alla pioggia o alla rugiada che si forma per condensazione dell’umidità atmosferica, quando cioè la temperatura fogliare superficiale è inferiore alla temperatura di rugiada dell'acqua. La sua misura presenta però numerosi problemi legati all’impossibilità di definirla con precisione da un punto di vista fisico. La bagnatura fogliare, infatti, non è una variabile agrometeorologica vera e propria, ma il risultato di complesse interazioni tra le caratteristiche fisiche delle superfici vegetali, le variabili agrometeorologiche e il microclima specifico della coltura. Anche se non priva di difficoltà, una sua accurata e tempestiva determinazione può fornire informazioni molto utili in fase di gestione e protezione delle colture.

La bagnatura fogliare viene misurata attraverso appositi sensori che simulano per quanto possibile la superficie di una foglia vegetale, in modo da dare un’indicazione delle condizioni di bagnatura o meno in cui si vengono a trovare superfici fogliari esposte come il sensore stesso all’azione degli agenti atmosferici. Questo consente infatti di valutare in termini di durata quei fenomeni di bagnatura non altrimenti rilevabili.

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3. Caratteristiche metrologiche e di impiego di uno strumento

3.1. Caratteristiche metrologiche di uno strumento

La scelta dello strumento più idoneo per una determinata misura condiziona fortemente la qualità della misura stessa. Per consentire all’utilizzatore di orientarsi nella scelta degli strumenti, sono stati definiti dei parametri (caratteristiche metrologiche) che caratterizzano il comportamento dello strumento nei confronti del misurando e delle condizioni operative (Battista et al., 1994).

Le caratteristiche metrologiche sono: o soglia o valore d’inizio o zero; o portata o valore di fondo scala o span; o gamma di misura o range; o linearità; o isteresi; o sensibilità; o risoluzione – errore di quantizzazione; o tempo di risposta – costante di tempo; o stabilità - deriva; o precisione - classe di precisione; o accuratezza; o fedeltà o ripetitività.

Soglia o Valore di inizio scala o Zero.

È il più basso livello di segnale rilevato dallo strumento che non sempre coincide col valore nullo della grandezza da misurare (errore di zero). La non coincidenza può essere dovuto al fatto, ad esempio, che per attriti, staratura di un potenziometro o altro, l’indicatore dello strumento non torni sempre perfettamente a zero. Normalmente gli strumenti hanno dei comandi esterni che permettono di effettuare questa correzione.

Portata o Valore di fondo scala o Span

È il valore massimo della grandezza che lo strumento può misurare. Di solito gli strumenti hanno diverse portate selezionabili con dei comandi esterni. Può accadere che il massimo valore applicabile all’ingresso dello strumento non sia tale da mandare l’indice in fondo scala (errore di fondo scala). Come per la correzione dell’errore di zero, anche in questo caso si può eseguire una taratura, tramite comandi esterni, che porti a far coincidere il massimo valore applicabile all’indicazione di fondo scala. Solitamente correggendo il fondo scala si stara lo zero e viceversa. Per approssimazioni successive, aggiustando ora l’uno ora l’altro, con tre quattro passi di taratura, si riesce a mettere le indicazioni correttamente in scala.

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Gamma di misura o Range

È l'intervallo dei valori di ingresso entro cui lo strumento dà un'indicazione, in altre parole è la differenza fra il valore di Span e lo Zero. Molto spesso, siccome lo Zero dello strumento coincide col valore nullo della grandezza in esame, il Range e lo Span coincidono.

Linearità

Dà un'indicazione di quanto la curva di risposta dello strumento (Valore in ingresso -Valore indicato), si avvicina alla caratteristica ideale che è una retta a 45°. La linearità è una caratteristica auspicabile in uno strumento, poiché, oltre a rendere più facile l'interpretazione della risposta di questo (si ha un'equazione del tipo y = a x + b invece di y = f(x) con f funzione generica di x), dà una indicazione anche di altre caratteristiche dello strumento e in particolare, dell’isteresi e della sensibilità, di seguito descritte.

Isteresi

L'isteresi, in uno strumento, è determinata dal fatto che la caratteristica di funzionamento rilevata per valori crescenti, della grandezza di ingresso, non coincide con quella rilevata per valori decrescenti. A parità di valore della grandezza in ingresso lo strumento dà indicazioni diverse a seconda che questo valore sia raggiunto per valori crescenti o decrescenti. La curva “Valore in ingresso - Valore indicato” non può pertanto essere una retta a 45° ma avrà l'andamento riportato in figura. Anche gli strumenti digitali possono avere questo inconveniente che si manifesta principalmente nel trasduttore. Questo errore strumentale sistematico difficilmente può essere valutato perché cambia col cambiare del valore raggiunto.

L'isteresi si quantifica come rapporto percentuale fra il massimo scostamento fra le due curve di risposta (ottenute per variazioni dell'ingresso dallo Zero allo Span e dallo Span allo Zero) e il Range dello strumento:

I% = ( I /Range)100

Sensibilità

È il rapporto tra la variazione della grandezza di uscita (ad esempio lo spostamento di un indice su una scala) e la corrispondente variazione di ingresso. Se la caratteristica è lineare la sensibilità è uguale per tutti i punti della curva, altrimenti cambia col punto di lavoro dello strumento. Per definizione:

S = dU/dI

Valore in ingresso

Val

ore

indi

cato

span

spanV0

V0

V1

V2

zero

zero

I

b

I

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Risoluzione – errore di quantizzazione

La risoluzione è legata alla più piccola variazione del segnale che può essere apprezzata dallo strumento. Nella maggior parte degli strumenti, soprattutto in quelli per la meteorologia, esistono parti essenziali per il funzionamento, le quali introducono attriti, giochi, discontinuità, ecc., il cui effetto è quello di produrre errori sistematici. Ad esempio fissato un certo valore della grandezza in entrata una variazione, rispetto a quel valore, che sia inferiore a una prefissata entità, non produce alcuna variazione del valore indicato dallo strumento. Il valore di questa minima variazione necessaria a produrre una variazione del valore indicato prende il nome di Errore di quantizzazione, δ, (Fig. 3.1). Il rapporto fra l'errore di quantizzazione δ e il Range dello strumento prende il nome di Risoluzione e di solito è espressa in percentuale: R% = (δ / Range) 100

range

Valore in ingresso

Val

ore

indi

cato

δ

Fig. 3.1 - La caratteristica “Ingresso-Uscita”, per effetto della quantizzazione del segnale, non ha un andamento continuo ma risulta una curva a gradini. Finché il segnale in ingresso non varia di almeno δ non si ha nessuna variazione in uscita.

Lo strumento sarà tanto migliore quanto più piccolo è R. In altre parole la risoluzione è tanto maggiore quanto più piccolo è il numero che la rappresenta. Nella pratica è invalso l’uso di chiamare risoluzione l'errore di quantizzazione, ma ciò non deve portare a fraintendimenti perché la risoluzione è un numero puro (adimensionale), mentre l'errore di quantizzazione ha le dimensioni della grandezza misurata.

Si stia ben attenti a non confondere la risoluzione con la sensibilità: uno strumento che, ad esempio, con una variazione del segnale di ingresso di un’unità ruota l'indice di 20 gradi, ha una sensibilità (S=20) doppia di uno che per la stessa variazione ruota l'indice di 10 gradi (S=10). Ma può benissimo darsi il caso che il primo strumento, ad esempio a causa di attriti dell'equipaggio mobile, non sia in grado di rilevare una variazione del segnale di ingresso di 0.1 mentre il secondo, pur essendo meno sensibile, può benissimo avere una costruzione più accurata ed essere in grado di sentire tale variazione e pertanto è uno strumento con una maggiore risoluzione. Anche dimensionalmente le due caratteristiche sono diverse, la risoluzione è un numero puro, mentre la sensibilità ha le dimensioni della grandezza in uscita divise per le dimensioni di quella in ingresso.

Prontezza o Tempo di risposta - Costante di tempo

È il tempo, tr, impiegato dallo strumento per indicare il 90 % della variazione della grandezza al

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suo ingresso e dà un'indicazione della velocità con cui lo strumento può fornire il risultato della misura. La prontezza è tanto maggiore quanto minore è il numero che la rappresenta.

Per i sensori più spesso, invece di tempo di risposta, si parla di Costante di tempo, τ; questa è il tempo necessario al sensore per rilevare il 63 % di una variazione brusca tra due livelli (variazione a gradino) del misurando. Si può dimostrare che questo tempo è indipendente dall’ampiezza della variazione e vale la relazione tr = 2.3 τ. In pratica, dopo aver applicato o variato il misurando, la lettura dello strumento non va fatta prima di 2 tr.

Fanno eccezione i sensori anemometrici a coppe o a elica per i quali si parla invece di Costante di distanza che rappresenta la distanza che il fronte d’aria deve percorrere affinché il sensore possa rilevare il 63 % della variazione della velocità.

Stabilità – Deriva

La stabilità è la proprietà di uno strumento o di un sensore di conservare nel tempo le proprie caratteristiche; si distingue in stabilità a breve termine (se riferita a intervalli di tempo dell'ordine dell'ora) e stabilità a lungo termine (se riferita a intervalli di settimane o mesi). Questo parametro dà un'indicazione di quanto frequenti devono essere le ricalibrazioni dello strumento.

In alcuni casi, soprattutto parlando di sensori, invece che di stabilità si parla di deriva. Con questo termine si intende la variazione, nel tempo, del segnale fornito dal sensore quando la grandezza fisica a cui esso è sensibile rimane costante. Ad esempio alcuni sensori capacitivi per la misura dell'umidità dell'aria, ad alte umidità relative (superiori al 70 %) nei primi momenti, 5 ÷ 10 minuti, indicano il valore giusto; nel tempo però "derivano" e nel giro di 10 ÷ 15 ore indicano valori assai più elevati (90 ÷ 100 %) anche se l’umidità non è variata.

Precisione – Classe di precisione

Si definisce precisione l'errore assoluto massimo che lo strumento può compiere. Più precisamente è la massima differenza che può verificarsi tra il risultato della misura e il suo valore vero che sappiamo non essere determinabile. La precisione viene fornita dal costruttore, essa consente di accettare come valore di una misura il singolo valore letto, associando a esso l’incertezza data dal numero che rappresenta la precisione stessa. Ovviamente, procedendo alla ripetizione della misura e calcolando il valore medio e la precisione statistica, si ottiene una indicazione che, probabilisticamente, è più vicina al valore vero.

La precisione è tanto maggiore quanto più piccolo è il numero che la rappresenta, questo parametro in uno stesso strumento può essere diverso nelle varie portate.

Per gli strumenti analogici molto spesso non viene data la precisione ma la Classe di Precisione come rapporto percentuale fra la precisione, δ, e il Range dello strumento:

C = Range

δ 100

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Accuratezza

Ripetendo più volte una stessa misura lo strumento, a causa di inevitabili errori accidentali, non dà sempre la stessa risposta e quindi come valore misurato dobbiamo prendere il valore medio. L'accuratezza è lo scostamento fra il valore medio e il valore vero. Non si confonda l'accuratezza con la precisione, poiché questa è la differenza fra il valore misurato e quello vero. In altri termini la precisione dà un’indicazione della vicinanza al valore vero del valore letto, mentre l'accuratezza, che tiene conto anche degli errori accidentali, dà una indicazione della vicinanza al valore vero del valore medio.

Dato che l’operazione di media tende a ridurre gli effetti degli errori accidentali lo scostamento del valore medio dal valore vero può essere imputato prevalentemente a errori sistematici. L’accuratezza è allora un indice della immunità di uno strumento nei confronti di questi errori.

Fedeltà o Ripetitività

La fedeltà dà un’indicazione della dispersione dei valori ottenuti, ripetendo più volte una stessa misura, intorno al loro valore medio. Poiché gli errori sistematici portano sistematicamente a sbagliare nello stesso modo, la dispersione dei valori intorno al valore medio è da attribuire a cause accidentali. Allora la fedeltà di uno strumento dà un’indicazione dell’immunità di questo agli errori accidentali.

Si è già detto che facendo un numero elevato di misure dello stesso segnale otteniamo un elevato numero di risultati diversi che, in un sistema di assi coordinati avente sulle ascisse i valori ottenuti e sulle ordinate il numero di volte che un certo valore è comparso, si dispongono secondo una curva gaussiana. La larghezza di questa curva a metà altezza può essere presa come indice della fedeltà. Si capisce che più larga è questa curva, più i risultati ottenuti sono diversi nelle varie misure; cioè sono più "dispersi" intorno al valore medio (Fig. 3.2).

Fig. 3.2 - In ascisse i valori misurati, in ordinate il numero di volte che un certo valore è comparso nel ripetere la stessa misura: la dispersione dei valori e la distanza di Gm da G* sono, nell’ordine, indice di maggiore o minore fedeltà e accuratezza.

Si osservi che più fedele non significa più accurato perché si può avere la situazione indicata nelle due gaussiane in figura 3.2, dove Gm indica il valore medio mentre G* il valore vero. Nella prima gaussiana i valori sono poco dispersi attorno a Gm quindi lo strumento è fedele ma poco accurato in quanto Gm è molto distante da G*; la situazione è opposta nella seconda gaussiana in cui

G* Gm G* Gm

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c'è forte dispersione dei risultati (la curva è più larga della prima) ma Gm è vicino a G* e quindi lo strumento risulta poco fedele ma accurato. Dal primo grafico si può quindi dedurre che in quella serie di misure ci sono stati errori accidentali di piccola entità (poca dispersione) ma si è in presenza di forti errori sistematici (grande scostamento tra G* e Gm). Nel secondo grafico la situazione è opposta; ci sono stati errori accidentali di una certa importanza mentre quelli sistematici sono di piccola entità. Altro fatto da notare è che tanto minore è la larghezza tanto maggiore è la fedeltà; quindi uno strumento è tanto più fedele quanto più piccolo è il numero che rappresenta la fedeltà.

3.2. Caratteristiche di impiego di uno strumento

Fra le caratteristiche non metrologiche più importanti di uno strumento sono da ricordare: la temperatura di immagazzinamento, la temperatura di impiego e il coefficiente di temperatura, legate alle condizioni ambientali di impiego, e l'affidabilità, che ha carattere statistico (Benincasa et al., 1999).

Temperatura di immagazzinamento.

Definisce una gamma di temperature (ad es. -20 °C ÷ +60 °C) entro cui lo strumento non in funzione può stare senza subire danni.

Temperatura di impiego o di funzionamento.

Stabilisce una gamma di temperatura (ad es. 0 ÷40 °C) entro cui lo strumento può funzionare correttamente; questa ha solitamente l’estremo inferiore a + 20 °C e quello superiore a - 20 °C dei corrispondenti estremi della gamma di immagazzinamento. La standardizzazione in vigore definisce "range industriale" la gamma di temperature di funzionamento da 0 a 70 °C che si restringe a 50 °C con umidità relativa dell'aria superiore a 80 % e "range militare" quella da -25 °C a +85 °C con umidità dell'aria fino a 90 %. Il range militare (Norme MIL) è più ampio perché si presuppone un tipo di impiego più critico, non solo in termini di temperatura ma anche di altri parametri ambientali (umidità, pressione, ecc.).

Per evitare di sconfinare è norma prudenziale cercare di stare lontani dai limiti indicati dal costruttore; in ogni caso alla temperatura di funzionamento di uno strumento è bene prestare particolare attenzione soprattutto in misure in campo dove è facile, se lo strumento non è ben protetto, uscire dal range prescritto e avere dei dati inattendibili, dei mal funzionamenti o addirittura guasti, anche gravi, alla strumentazione.

Coefficiente di temperatura.

Indica la correzione che va apportata al valore fornito dallo strumento quando questo pur trovandosi a lavorare nella giusta gamma di temperature non lavora all'esatta temperatura (di solito 20 °C) alla quale è stata effettuata la calibrazione dello strumento stesso. Pertanto il valore Vl letto alla temperatura Tm , diversa dalla temperatura di calibrazione T0 , va così corretto per ottenere la misura Vm:

Vm = Vl + α (Tm - T0)

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con α coefficiente di temperatura che ha le dimensioni della grandezza misurata divise per la temperatura. Il coefficiente di temperatura può allora essere interpretato come "sensibilità" dello strumento rispetto alla temperatura. Altri coefficienti di correzione sono legati all'umidità e alla pressione ma sono assai meno importanti di quello di temperatura.

Affidabilità.

L’affidabilità è definita come la probabilità che un componente o un sistema esegua la funzione a esso richiesta, in condizioni operative prefissate, per un periodo di tempo determinato.

Il concetto di affidabilità è divenuto sempre più importante a causa dell’incremento della complessità dei sistemi. Infatti la bassa affidabilità di una apparecchiatura oltre ad aumentare il costo di manutenzione provoca, soprattutto, un danno all’utilizzatore per la mancata disponibilità dell’apparecchiatura stessa. Non va confusa l’affidabilità con la qualità di un apparecchio. La prima determina l’intervallo di tempo durante il quale l’apparato mantiene la sua funzione, mentre la seconda è una misura dello scostamento dallo standard o dalle specifiche assegnate alla stessa funzione. Per chiarire questa differenza si pensi che uno strumento nel tempo può peggiorare le sue prestazioni ma può ancora essere utilizzato per particolari scopi. Un guasto anche banale come l’interruzione di un fusibile, ad esempio in un data logger, costituisce un danno assai grave per l’utente che, se anche è in possesso di uno strumento di ottima qualità, perde tutti i dati successivi all’interruzione del fusibile.

Gli strumenti realizzati con componenti a norme MIL hanno una migliore affidabilità poiché essi subiscono un processo di invecchiamento che stabilizza le caratteristiche dei componenti e provoca la morte precoce di quelli più scadenti, in modo da evitare guasti alle apparecchiature nelle prime ore di funzionamento (mortalità infantile).

3.3. Specifiche metrologiche dei sensori per la misura delle principali grandezze agrometeorologiche

Nella tabella 3.1 sono riportati le specifiche metrologiche per i sensori di una stazione meteorologica professionale secondo le indicazioni tratte dalla guida n°8 dell’Organizzazione Mondiale della Meteorologia (“WMO GUIDE TO METEOROLOGICAL INSTRUMENTS AND METHODS OF OBSERVATION ”, WMO n° 8, Seventh edition, 2008). Tab. 3.1 - Operational measurement uncertainty requirements and instrument performance (AA.VV, 2008)

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L’incertezza con la quale una grandezza agrometeorologica dovrebbe essere misurata varia in funzione degli scopi per la quale la misura è richiesta. In generale l’ordine della precisione della misura sarà determinata dalla variabilità dell’elemento da misurare sulla scala spazio-temporale appropriata per l’applicazione. Si riportano di seguito le specifiche metrologiche, considerate accettabili per le principali applicazioni agrometeorologiche (il termine precisione qui utilizzato corrisponde al termine inglese accuracy). Sensore di temperatura dell’aria (Termometro) Range di misura -30 ÷ 70 °C (0 ÷ 70 °C per misure indoor) Risoluzione 0.1 ÷ 0.5°C Precisione ± 0.5 °C Costante di tempo (max) 20 s

Sensore di umidità dell’aria (Igrometro) Range di misura 0 ÷ 100 % (0 ÷ 95 % per misure indoor) Risoluzione 1 % Precisione ± 3 ÷5 % Costante di tempo (max) 40 s

Sensore di pressione atmosferica (Barometro) Range di misura 500 ÷ 1100 hPa Risoluzione 0.1 hPa Precisione ± 0.5 hPa Costante di tempo (max) 20 s Temp. di funzionamento -30 ÷ 80 °C Compensazione dagli effetti della temperatura nel range di funzionamento

Precipitazioni (Pluviometro) Range di misura 0 ÷ 500 mm h-1 Sezione di raccolta (imbuto) valore tipico da 200 a 1000 cm2 Risoluzione: 0.2 mm Precisione (max) ± 5% Temp. di funzionamento: 0 ÷ 60 °C

Sensore di radiazione solare globale (Fotocella al silicio) Sensibilità spettrale: 400 ÷ 1100 nm Range di misura: 0 ÷ 1400 W m2

Risoluzione: 0.1 W m2

Temp. di funzionamento: -20 ÷ 75 °C Linearità: ≤ 5%

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Intensità della velocità del vento (Anemometro) Range di misura: 0 ÷ 30 m s-1; 0 ÷ 60 m s-1

Risoluzione: 0.1 m s-1 Precisione ± 5 %

Direzione del vento (gonioanemometro) Range di misura: 0 ÷ 359 gradi

Risoluzione: 1 grado Precisione ± 5 gradi

Sensore di temperatura del suolo (Termometro) Range di misura -30 ÷ 70 °C Risoluzione 0.1 ÷ 0.5°C Precisione ± 0.5 °C

Sensore di umidità del suolo (potenziale idrico) Range di misura 0 ÷ 850 hPa Risoluzione 1 hPa Precisione ± 5 hPa

Temp. di funzionamento: 0 ÷ 70 °C

Sensore di umidità del suolo (volumetrica) Range di misura 0 ÷ 50 -60% vol Precisione ± 3 % vol

Temp. di funzionamento: -20 ÷ 60 °C

Sensore di bagnatura fogliare Range di misura 0 ÷ 60’ di bagnato nell’ora Risoluzione 1 s Precisione ± 1 s

Temp. di funzionamento: 0 ÷ 70 °C

3.4. Schermatura del termoigrometro

In meteorologia l’osservazione della temperatura e dell’umidità dell’aria è effettuata ad un’altezza compresa fra 1.5 e 2 m dal suolo, sempre all’interno di schermi ventilati (o aspirati) o non ventilati (detti anche naturalmente ventilati o naturalmente aspirati). Questo per ridurre gli effetti della radiazione solare diretta e della pioggia sui sensori. Ancora oggi, nelle stazioni meteorologiche tradizionali, sono utilizzati schermi di legno verniciati di bianco, detti Stevenson Screen, dall’ideatore inglese Thomas Stevenson 1818-1887, all’interno dei quali sono posti i sensori, ad esempio termometri a mercurio o termoigrografi meccanici (Fig. 3.3).

Fig.3.3. – Capannina meteorologica.

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Con lo sviluppo dell’elettronica e la conseguente miniaturizzazione dei componenti, altri tipi di sensori e, conseguentemente, di schermi, sono stati messi a punto. L’organizzazione meteorologica mondiale non detta regole rigide sulle dimensioni e la forma dello schermo, ma indica delle norme generali a cui i costruttori devono attenersi. In questo modo sul mercato esistono molti esempi di schermi sia aspirati che non aspirati, che variano per forma, colore, dimensioni e materiale di costruzione (Fig. 3.4).

Fig. 3.4 - Esempi di schermo non aspirato.

Entrambi i tipi di schermi producono un microclima al loro interno che è sorgente di un errore dell’osservazione. Quello che quindi viene fatto nella pratica è di ridurre per quanto possibile questo errore. Esistono diversi lavori in cui sono evidenziati questi effetti, comparando differenti tipi di schermi in diverse condizioni di insolazione e velocità del vento (Tab. 3.2).

Tab. 3.2 – Errori di misura sulla temperatura, in funzione del vento e della radiazione solare (Tanner et al, 1996) per due tipologie di schermi (HMP35C eCSI107).

-0.2÷0.2-0.4÷0.50.4÷0.20.8÷0.32 ÷ 3

-0.5÷0.7-1.0÷1.20.7÷0.21.3÷0.41 ÷ 2

-0.8÷0.8-1.2÷1.01.2÷0.41.8÷0.60 ÷ 1

CSI 107°C

HMP35C°C

CSI 107°C

HMP35C°C

(m/s)

Nighttime800÷1000Wm-2

radiationWind Speed

-0.2÷0.2-0.4÷0.50.4÷0.20.8÷0.32 ÷ 3

-0.5÷0.7-1.0÷1.20.7÷0.21.3÷0.41 ÷ 2

-0.8÷0.8-1.2÷1.01.2÷0.41.8÷0.60 ÷ 1

CSI 107°C

HMP35C°C

CSI 107°C

HMP35C°C

(m/s)

Nighttime800÷1000Wm-2

radiationWind Speed

Spesso gli scarti più grandi, rispetto ad un ipotetico valore vero, sono dovuti al posizionamento dei sensori piuttosto che al loro grado di accuratezza intrinseco (Lin et al, 2000). Meglio sarebbe introdurre il concetto di rappresentatività della misura caratterizzata dall’ambiente circostante. Per

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applicazioni di climatologia la misura della temperatura e dell’umidità dell’aria deve essere fatta all’interno di uno schermo ad aspirazione forzata per mezzo di una ventola, che deve garantire intorno al sensore un flusso di aria compreso fra 3 e 10 m/s. I problemi da risolvere sono quelli legati all’alimentazione elettrica della ventola e all’introduzione di un ulteriore componente nella stazione di misura. In base al noto principio “non c’è, non si rompe”, anche un accessorio semplice come una ventola elettrica deve essere attentamente valutato quando è installato all’aperto, soggetto quindi agli eventi atmosferici e ad altri effetti di diversa natura. Molto spesso le ventole si bloccano o si rompono per l’accumulo di sporco o di insetti, per questo la misura avviene di fatto in uno schermo non aspirato, o peggio, alcune misure vengono rilevate in un modo e altre in condizioni differenti. In generale si utilizza uno schermo aspirato soltanto per applicazioni che necessitano di una specifica accuratezza.

Molti autori hanno affrontato il problema legato alla schermatura dei sensori di temperatura ed alcuni di questi, oltre ad aver confrontato schermi diversi, hanno anche proposto alcune modifiche per migliorare l’efficienza di questa fondamentale parte della stazione meteorologica. In figura 3.5 è riportato lo schermo proposto da Scott J. Richardson et al. (1999) che migliora l’efficienza della schermatura dei sensori, mitigando gli effetti radiativi e consentendo allo steso tempo il passaggio di un buon flusso di aria intorno ai sensori. In particolare: o i due piattelli superiori, di diametro più grande rispetto a quelli inferiori, assicurano una

maggiore protezione rispetto alla radiazione solare incidente. o I quattro schermi inferiori, grazie alla inclinazione delle parti laterali di 45°, riescono a

diminuire considerevolmente l’effetto prodotto dalla radiazione solare riflessa dalle superfici circostanti.

o Gli schermi intermedi sono sagomati in modo da intercettare la radiazione solare incidente e a garantire al tempo stesso il passaggio di un buon flusso di aria intorno ai sensori.

Fig. 3.5 - Schermo non aspirato proposto da Scott J. Richardson et al. (1999).

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4. Stato dell’arte della strumentazione

Gli strumenti possono essere distinti tra quattro principali categorie: gli strumenti a lettura diretta, gli strumenti meccanici registratori, gli strumenti elettronici a lettura diretta, gli strumenti elettronici registratori. Gli strumenti a lettura diretta sono i più semplici e di costo assai contenuto, ma allo stesso tempo permettono già di effettuare tutte le osservazioni utili; un riepilogo delle caratteristiche dei principali strumenti è mostrato nella seguente tabella.

Parametro Strumento Precisione Temperatura Termometro a mercurio 0.1- 0.5 °C Termometro a max-min 1 °C Umidità Igrometro a capelli 3 ÷5 % Pioggia Pluviometro 0.2 mm Vento Anemometro 0.1 m/s Pressione Barometro a mercurio 0.5 mbar

Gli strumenti meccanici registratori sono costituiti da un sensore e da un tamburo mosso da un meccanismo ad orologeria sul quale è posta una carta diagrammata, avente in ascissa il tempo e in ordinata il valore del parametro misurato. La scala di questi strumenti può essere giornaliera o settimanale.

Gli strumenti elettronici sono costituiti da un sensore e da un trasduttore che genera un segnale elettrico proporzionale al parametro da misurare. Gli apparecchi per la misura della temperatura, dell'umidità, della pressione e della velocità del vento, aventi un display a cristalli liquidi, sono di questo tipo.

Gli strumenti registratori elettronici a questi sensori affiancano un sistema di registrazione dei dati (data logger) su supporto magnetico, con la possibilità di recuperare i dati mediante un PC o di trasmetterli tramite un modem (radio o telefonico) ad un centro di raccolta dati. L’ultima generazione di stazioni meteorologiche è corredata con trasmettitori satellitari, che permettono di inviare i dati utilizzando la posta elettronica.

Strumenti a lettura diretta

Termometri a liquido - composti pieno di liquido e da un capillare sfruttano la dilatazione termica dei liquidi.

a) Termometri a mercurio - in commercio si trovano termometri aventi gamme di temperatura diverse, con precisione e risoluzione di 0.1 °C

b) Termometro di massima e minima - strumento per la misura della temperatura dell'aria, che permette di leggere anche i valori minimo e massimo della temperatura raggiunti nel periodo trascorso dall'ultima lettura. Intervallo di misura -30 ÷ 50°C ; precisione e risoluzione 1°C.

c) Igrometro di precisione a capelli - strumento per la misura dell'umidità dell'aria. L'elemento sensibile è costituito da un fascio di capelli trattati per ridurre l'isteresi, aumentarne la stabilità e ridurre il tempo di risposta. Range 0 ÷ 100 % ; precisione ± 3% dai valori medi al fondo scala, ± 5% per i valori bassi.

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d) Psicrometro a fionda - strumento per la misura dell'umidità dell'aria tramite la misura della temperatura del bulbo secco e di quello umido. Range di temperatura -10 ÷ 50 °C; precisione e risoluzione 0.5 °C

e) Regolo psicrometrico - regolo per la determinazione dell'umidità relativa, noti i valori di temperatura del bulbo secco e del bulbo umido.

f) Pluviometro totalizzatore - raccoglie l'acqua piovana, attraverso una bocca tarata di 200 cm2, e la accumula in un contenitore da 1300 cm3.

g) Anemometro portatile - anemometro a coppe portatile (anemometro a mano) avente 4 scale di misura: 0 ÷ 120 km/h; 0 ÷ 35 m/s; 0÷ 66 knots (miglia marittimi/ora); 0 ÷ 12 Beaufort

h) Barometro FORTIN - barometro con vaschetta a volume variabile e punta di collimazione del livello del mercurio. Di costruzione robusta e compatta trova impiego nel campo meteorologico e in quello industriale. Range 680 ÷ 1070 mbar; risoluzione 1/20 di mbar

i) Eliofanografo di Campbell-Stockes - fornisce la misura della durata dell'insolazione. È costituito da una sfera di vetro ottico sostenuta ai poli da due supporti situati all'estremità di un arco meridiano graduato, il quale consente di disporre l'asse della sfera con un'inclinazione in gradi, rispetto all'orizzontale, uguale ai gradi di latitudine del luogo. Una carta speciale, assicura uniformità alla linea di bruciatura con il minimo di variazione in caso di umidità. I raggi del sole concentrati dalla sfera producono una bruciatura, la cui posizione e lunghezza informano sull'orario e la durata dell'insolazione.

Strumenti meccanici registratori

A) Termoigrografo - strumento registratore di temperatura e umidità relativa. L'elemento sensibile termometrico è costituito da un bimetallo che garantisce una precisione di misura del 5%. L'elemento sensibile igrometrico è costituito da fasci di capelli, accuratamente selezionati e trattati, che garantiscono una precisione di misura di ±3 % di umidità relativa. Le registrazioni avvengono mediante due pennini riempiti di un inchiostro speciale, la cui aderenza con la carta diagrammata è ottenuta per semplice gravità. La sua rotazione può essere trasformata da settimanale a giornaliera e viceversa, mediante il semplice capovolgimento di un pignone. Range igrometrico 0 ÷ 100 % ; range termometrico -30 ÷ 40°C

B) Pluviografo mensile - strumento registratore della pioggia con autonomia di 31 giorni, con gruppo di misura del tipo a vaschetta oscillante. La registrazione avviene su carta continua con movimento a orologeria. L'avanzamento orario è di 12.5 mm; il rotolo di carta è sufficiente per due mesi di registrazione. Il pennino a serbatoio garantisce il corretto funzionamento in qualsiasi condizione ambientale di umidità e temperatura. L'intero sistema di misura è racchiuso in cassetta

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stagna agli agenti atmosferici. Lo strumento è completo di bocca di raccolta di 1000 cm2 di superficie, in rame smaltato. Scala di misura 10 mm; precisione ± 2%

C) Anemometro totalizzatore - strumento impiegato per misurare la quantità totale di vento sfilato per un periodo di tempo stabilito. L'anemometro è costituito da un mulinello a tre coppe il cui albero collegato, mediante vite senza fine e coppia d'ingranaggi, a un contatore numerico che dà indicazioni direttamente in centesimi, decimi e chilometri fino a 99999.99. Campo di misura 100000 km ; precisione ±0.5 m/s da 2.5 a 40 m/s; soglia 0.5 m/s

D) Barografo - Strumento atto a registrare la pressione atmosferica su una striscia di carta diagrammata applicata sul tamburo di un movimento ad orologeria. L'elemento sensibile è costituito da una serie di capsule oleosteriche sovrapposte e munite di compensazione termica. La registrazione avviene mediante una penna riempita di un inchiostro speciale, la cui aderenza con la carta è ottenuta per semplice gravità. Il tamburo su cui si avvolge la carta diagrammata è azionato da un movimento ad orologeria. La sua rotazione può essere trasformata da giornaliera a settimanale e viceversa mediante il semplice capovolgimento di un ingranaggio. Campo di misura 950 ÷ 1070 mbar; sensibilità 1.5 mm/mbar

E) Piranografo bimetallico - registra l'intensità della radiazione globale, cioè dell'energia dovuta alla radiazione diretta del sole e a quella diffusa e riflessa dal cielo e dai sistemi nuvolosi, ricevuta da un elemento sensibile collocato orizzontalmente. L'elemento sensibile alla radiazione, consiste in 3 lamine bimetalliche affiancate, di cui quella centrale annerita e le laterali imbiancate: sono disposte in modo che le deformazioni termiche delle bianche agiscano sugli spostamenti della penna in senso opposto a quelle della nera. Gli elementi sensibili sono situati all'incirca nel piano equatoriale di una piccola cupola emisferica di vetro, a chiusura stagna, che agisce anche da filtro alle radiazioni di lunghezza d'onda compresa tra 0.38 e 2.2 µm ; precisione ± 5 % .

F) Capannina meteorologica - Costruita in legno di larice stagionato, con pannelli laterali a persiana, presenta verniciatura ad alto potere riflettente e tetto a intercapedine d'aria con lastra di zinco. Il supporto in ferro zincato è provvisto di quattro piedi e crociera di irrigidimento in ferro piatto. Nella capannina meteorologica sono inseriti gli strumenti meccanici registratori (barografo termoigrografo ecc.), in modo che questi siano protetti dalle intemperie e non subiscano l'influenza diretta della radiazione.

Strumenti elettronici a lettura diretta – sono costituiti da uno o più sensori con un display.

1A) Anemometro Omnidirezionale - anemometro a coppe portatile con display digitale; fornisce i valori di direzione e intensità della velocità del vento. Range 0÷30 m/s ; precisione 0.1 m/s ; soglia m/s.

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1B) Anemometro a filo caldo - strumento che fornisce i valori istantanei o medi dell'intensità della velocità del vento e della temperatura dell'aria.

Temperatura Range -10 ÷ 60 °C Precisione 0.3 °C Risoluzione 0.1°C

Velocità del Vento Range 0.15 ÷ 2.5 m/s ; Precisione ± 0.01 m/s Range 2.5 ÷ 10 m/s ; Precisione ± 0.05 m/s Range 10 ÷ 30 m/s ; Precisione ± 0.25 m/s Range 30 ÷ 50 m/s ; Precisione ± 0.5 m/s

1C) Termoigrometro - strumento per la misura di temperatura e umidità dell'aria; fornisce sul display i valori istantanei di temperatura e umidità.

Umidità Range 5÷98 % Risoluzione 0.1% Precisione ± 2 % Temperatura Range -10÷99.9°C Risoluzione 0.1°C

Strumenti elettronici registratori o Sistemi Integrati - sono composti da uno o più sensori integrati ai componenti elettronici necessari per il condizionamento del segnale e l’acquisizione dei dati. Sono caratterizzati da piccole dimensioni, basso consumo energetico, semplicità di uso e rapida installazione. I dati sono memorizzati su memorie non volatili. Il trasferimento su PC è effettuato tramite un software fornito dalla casa costruttrice

2A) Hobo U12 Logger – strumento per la misura di luminosità, temperatura e umidità dell’aria, adatto per ambienti interni, ad esempio serre, camere di crescita, ecc.; rende disponibile un quarto ingresso per sensori della famiglia smart sensor. L’acquisizione dei dati può essere impostata fra 1secondo e 24 ore.

2B) Hobo U14 LCD Logger - strumento per la misura di temperatura e umidità dell’aria, con visualizzazione su display dei dati. È previsto uno schermo per proteggere i sensori dagli effetti della radiazione solare e della pioggia Temperatura: Range -20÷ 50°C; precisione 0.2 °C. Umidità relativa: Range 0 ÷ 100 %; precisione ± 2.5 % (da 10 a 90 %)

2C) Hobo - Micro Station Data Logger – datalogger per acquisire fino a 4 smart sensors: temperatura e umidità dell’aria, radiazione solare, velocità e direzione del vento, umidità del suolo, bagnatura fogliare, pioggia, ecc., adatto per l’installazione in pieno campo. L’acquisizione dei dati può essere impostata fra 1secondo e 18 ore.

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2D) Rotronic Hylog - strumento per la misura di temperatura e umidità dell’aria, adatto per l’installazione in pieno campo. L’acquisizione dei dati può essere impostata fra 1 secondo e 24 ore. Esiste una versione “base” e una con display.

2E) Skye DataHog - strumento per la misura di temperatura e umidità dell’aria. L’acquisizione dei dati è programmabile per avere valori istantanei o mediati. Per misure all’aperto può essere utilizzato uno schermo per la protezione dei sensori.

Stazione meteorologica elettronica - In figura 4.1 è mostrata una stazione per l'acquisizione di

segnali elettrici provenienti da vari sensori agrometeorologici. I dati acquisiti, dopo una prima elaborazione, possono essere trasmessi periodicamente via modem (radio, telefonico o satellitare) a un centro di elaborazione dati. Una memoria di backup, presente sul datalogger, consente di tenere in archivio locale i dati per un certo periodo, nel caso vi fossero problemi di trasmissione dei dati. Alla stazione meteorologica sono collegabili vari tipi di sensori: anemometro, gonioanemometro, albedometro, piranometro, termoigrometro, pluviometro, ecc.

Figura 4.1 – Stazione agrometeorologica

Per le applicazioni climatologiche e agrometeorologiche sono richieste osservazioni con intervalli di elaborazione, generalmente, compreso tra 1 ora e 24 ore, ed intervalli di campionamento dell’ordine da 1 minuto a 10 minuti (vedesi tabella 3.1 per le indicazioni del WMO per le principali grandezze fisiche). Per alcune applicazioni specifiche possono essere richiesti intervalli di

2 A 2B 2C

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elaborazione minore dell’ordine, ad esempio, di 15 o 30 minuti. Per quanto riguarda l’intervallo di trasmissione dei dati dal sensore al datalogger (o consolle) questo in generale coincide con l’intervallo di campionamento, a meno che la scheda sensore abbia una capacità minima di elaborazione; in tal caso, per ridurre i consumi energetici, si può trasmettere il dato elaborato con una frequenza minore.

Di seguito sono descritti brevemente alcuni sensori/strumenti standard che fanno parte di una stazione agro-meteorologica tipo:

Anemometro a coppe - il trasmettitore è costituito da un mulinello a tre coppe, la cui rotazione, trasmessa ad un alternatore a magnete permanente, genera una corrente elettrica proporzionale alla velocità istantanea del vento. Range 0÷50 m/s ; precisione ± 0.5 m/s fino a 15 m/s , ±1 m/s oltre 15 m/s ; soglia 0.5 m/s.

Gonioanemometro - strumento per la misura della direzione della componente orizzontale del vento. L'apparecchio è costituito da una banderuola ad asse di rotazione verticale, che spostata dal vento ruota il cursore di un potenziometro, la cui uscita è proporzionale allo spostamento angolare della banderuola rispetto alla direzione di riferimento. Range 0 ÷ 360° , precisione ±1 % f.s.

Albedometro – strumento montato parallelamente alla superficie considerata, che fornisce un segnale elettrico continuo in tensione proporzionale alla radiazione riflessa dalla superficie stessa. Il sensore utilizzato è una fotocella al silicio, ospitata in un supporto di PVC e protetta da una cupoletta di teflon. Range 0÷1000 W m-2 ; banda di sensibilità 400÷1100 nm; precisione ± 5 W m-2

Piranometro per la radiazione diffusa - Il sensore è una fotocella al silicio ospitata in un supporto di PVC e protetta da una cupoletta di teflon. La fascia oscurante garantisce l'ombreggiamento del sensore dalla luce solare diretta. Due guide fulcrate sul piano del sensore consentono la giusta inclinazione della fascia a ogni latitudine e il suo posizionamento nei vari periodi dell'anno. L'uscita del sensore è un segnale elettrico continuo in tensione proporzionale alla radiazione diffusa dal cielo. Range 0 ÷1000 W m-2; banda di sensibilità 400 ÷1100 nm ; precisione ± 5 W m-2

Pirotermoigrometro - Strumento per la misura di radiazione solare, temperatura e umidità dell'aria. Temperatura dell'aria - il sensore utilizzato è una termoresistenza inserita in un ponte di Wheatstone; il valore resistivo della termoresistenza varia in funzione della temperatura, provocando lo sbilanciamento del ponte e generando quindi una tensione continua proporzionale alla variazione di temperatura. Umidità dell'aria- Il sensore utilizzato è del tipo capacitivo: si tratta di una membrana di materiale igroscopico che costituisce il dielettrico di un condensatore. Le molecole d'acqua presenti nell'aria vengono assorbite dal dielettrico provocando al variare dell'umidità dell'aria, una variazione della capacità del condensatore. A questa corrisponde una variazione della frequenza di oscillazione di un circuito elettrico collegato al sensore, trasformata a sua volta in una variazione di tensione continua. Sia il sensore di temperatura che quello d'umidità sono protetti dagli effetti della radiazione solare e, per favorire intorno ad essi una corrente convettiva che li mantenga in equilibrio con la temperatura e l'umidità dell'ambiente, può essere prevista una ventilazione forzata prodotta da un ventilatore inglobato nel pirotermoigrometro.

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Radiazione solare globale- Il sensore utilizzato è una fotocellula al silicio ospitata in un supporto di PVC, posto sulla faccia della scatola rivolta costantemente alla luce, e protetta da una cupoletta in teflon. La cupoletta ha il compito di non far saturare la fotocellula e di assicurare una buona diffusione della luce. L'uscita del sensore è un segnale elettrico continuo in tensione proporzionale alla radiazione globale. Temperatura aria Range -10 ÷ 60°C ; Precisione ± 0.25°C Umidità aria Range 10 ÷ 100 % ; Precisione ±3 % U.R. Radiazione solare globale Range 0 ÷ 1000 W/m2 ; Precisione ±5 W/m2 ; Banda 400 ÷ 1100 nm

Pluviometro - Strumento per la misura della precipitazione, costituito da un imbuto a bocca circolare tarata che invia l'acqua piovana raccolta a un cilindro; tra i due è posto un filtro asportabile che impedisce l'ingresso di foglie, sporcizia e altro. All'interno del cilindro un sensore di livello a galleggiante chiude un contatto per ogni 0.2 mm di pioggia caduta. Questo segnale elettrico viene utilizzato da un circuito digitale che lo converte in un impulso di conteggio e aziona l'elettrovalvola di svuotamento del cilindro. Campo di misura illimitato; risoluzione 0.2 mm ; precisione ±1 % alimentazione 12V d.c. ; bocca tarata 510 cm2 .

Radiometro netto − Strumento per la misura del bilancio radiativo tra la radiazione in arrivo su una superficie e la radiazione riflessa ed emessa da questa. Il sensore è costituito da una termopila racchiusa tra due schermi emisferici di polietilene che lo proteggono dal vento e dalla pioggia, pur consentendo una buona trasparenza alle frequenze radiative che vanno dal visibile all'infrarosso termico. Sensibilità circa 40 µW-1 m2 ; accuratezza ±3 % del valore letto.

In tabella sono riportati vantaggi e svantaggi delle varie tipologie di strumentazione, dal quale si deduce la necessità di una sistema automatico con la trasmissione dei dati in real-time per la realizzazione di una rete di monitoraggio finalizzata ad un supporto agrometeorologico on-line.

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4.1. Smart sensors

I recenti sviluppi nel campo tecnologico hanno portato alla nascita di una nuova classe di periferiche di calcolo: senza fili, alimentati a batteria, con sensori intelligenti. I sensori tradizionali sono periferiche passive che semplicemente modulano su base elettrica un certo parametro ambientale e lo trasferiscono al sistema di acquisizione. Questa nuova generazione di sensori è di tipo attiva, in grado non soltanto di campionare i fenomeni del mondo reale ma anche di filtrare, condividere, combinare e elaborare i dati acquisiti. Un certo numero di sensori di questo tipo formano una topologia di rete chiamata “sensor network”, i cui elementi sono chiamati nodi sensori o smart sensors o mote.

Gli “Smart sensor” o sensori intelligenti sono sensori o attuatori equipaggiati con microcontroller al fine di avere una capacità di elaborazione locale e di connessione in rete (Wang et al., 2006). Gli sforzi di standardizzazione iniziati dal Institute of Standards and Technology (NIST) hanno portato allo sviluppo dello standard IEEE 1451 (IEEE, 1997; IEEE, 1999) L’architettura di un sensore intelligente combina le funzionalità di sensore, calcolo e comunicazione; infatti comprende un modulo di interfaccia “smart sensor” (STIM), un microprocessore (NCAP), una interfaccia tra STIM e NCAP ed un modulo di comunicazione (interfaccia radio). Ciascun modulo STIM e NCAP contengono un microcontroller indipendente. I trasduttori (sensori o attuatori) ed il circuito di elaborazione del loro segnale sono considerati facenti parte del modulo STIM; i segnali analogici o digitali dei sensori sono connessi al microprocessore del modulo STIM tramite un convertitore analogico-digitale ADC e le porte di ingresso digitali (DI), mentre i comandi di controllo possono essere spediti agli attuatori tramite il convertitore digitale-analogico (DAC) e le porte digitali di output (DO). Quindi uno STIM può gestire molte tipologie di sensori e attuatori. Il modulo NCAP funziona invece come un’interfaccia tra il modulo STIM ed il modulo di comunicazione: da un lato accede ai dati del sensore/attuatore e dall’altro accede alle risorse della rete.

Allo sviluppo dei Smart sensor hanno concorso almeno quattro tecnologie: le microtecnologie elettroniche (microchip, processi, ..), le microlavorazioni meccaniche (microsensori, microattuatori), le radiocomunicazioni (microradio, reti wireless), le tecniche a basso consumo energetico (Fig. 4.2).

Fig. 4.2 - La realizzazione di uno smart sensor richiede l’integrazione di quattro diversi aspetti: sensore (SE), elemento di calcolo (PE), modulo di comunicazione (CE), alimentazione (PS).

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L’alimentazione dei nodi sensori rappresenta un fattore molto critico nelle reti di sensori poiché ogni nodo ha una fonte energetica limitata e, una volta distribuiti sul campo, i nodi sensori devono lavorare in solitario. Ogni smart sensor quindi deve essere progettato per gestire autonomamente le proprie risorse energetiche in modo da massimizzare il periodo di vita dell’intera rete. È consigliabile perciò che i nodi siano dotati di modalità di basso consumo per risparmiare le batterie.

I nodi sensori vengono generalmente densamente distribuiti nel punto dell’evento che si vuole analizzare o comunque molto vicini ad esso, in modo da collezionare i dati acquisiti attraverso un sensore fisico. I dati dei sensori raccolti nell’area osservata, sono processati localmente o aggregati, e trasmessi ad una o più stazioni base. Un nodo sensore consiste dunque in un’unità di elaborazione, un modulo di comunicazione (interfaccia radio) e sensori , che trasmette i dati raccolti ad uno (o più) nodi che si trovano nel raggio di copertura del nodo, cioè distanti un hop. Seguendo un algoritmo di comunicazione multi-hop i dati sono guidati verso un nodo raccoglitore, chiamato sink e attraverso esso verso l’utente destinatario. Le tecniche impiegate per le reti ad hoc multi-hop, cioè tecniche di trasmissione multihop che si adattano al contesto in cui si inseriscono, costituiscono la base per le reti di sensori wireless.

Le modalità di interconnessione dei nodi sensori possono essere diverse, in funzione delle priorità dell’applicazione; in figura 4.3 sono indicati alcuni esempi possibili di topologia della rete di sensori: Stella (nodo centro stella complesso), Anello, Albero (esistono nodi privilegiati) e Bus.

Fig. 4.3 - Esempi di configurazione delle modalità di interconnessione dei nodi (topologia).

Le attività di ricerca hanno focalizzato l’attenzione sui protocolli di rete, il controllo della topologia, la sincronizzazione temporale, la gestione dei dati e la sicurezza. Un nuovo standard (IEEE 1451.5) è stato sviluppato per collegare i sensori wireless con il concetto di smart sensor al fine di ottenere sensori intelligenti wireless che combinano sensori, elaborazione e comunicazione. Tramite questo standard i sensori intelligenti possono essere connessi ad una rete di comunicazione con trasmissioni sia cablate sia radio. Lo standard IEEE 1451.5 guida l’integrazione dei smart sensors con

Sink Nodo

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i diversi protocolli di comunicazione, come 802.11 (WiFi), 802.15.4 (Bluetooth) and 802.15.4 (ZigBee). In tabella 4.1 si può vedere il confronto con le altre tecnologie utilizzate per la trasmissione dei dati, in particolare per la frequenza utilizzata, l’area coperta, la topologia di rete, i consumi tipici e le applicazioni tipiche.

Tab. 4.1 – Confronto fra le tecnologie di trasmissione

Periferiche PC

Bassi~200mW

Semplice

Stella

~ 50m

62.5 kbps

2.4 GHz

WirelessUSB

Trasmissione segnali a

banda larga

Bassi~100mW

Media

Punto a punto

<10m

100-500 Mbps

3.1-10.6 GHz

UWB

Trasmissione dati a corto

raggio

Automazione e controllo

Cable replacing

Wireless LAN

Controllo remoto

Remote control, trasmissione dati a corto

raggio

Applicazioni

BassiBassi~100mW

Medi~300mW

Alti~1W

Bassi(~200mW)

Molto bassi(10mW, dipende dalla distanza)

Consumi

SempliceMediaMedio/AltaAltaSempliceSempliceComplessità

Punto a puntoStella, albero,meshStellaStellaPunto a

puntoPunto a puntoTopologia di rete

~20cm10-100m10m50-100m10m1-9m (LOS)Area

106-424 kbps20-250 kbps1 Mbps11-54 Mbps0.3kbps20k-16MbpsData Rate

Connessione Induttiva

(13.56MHz)

868-902 MHz, 2.4GHz2.4 GHz2.4/5 GHz433 MHz

868/915 MHz800-900 nmFrequenza

NFC 802.15.4802.15.1802.11RF 433 868/915

IR

Periferiche PC

Bassi~200mW

Semplice

Stella

~ 50m

62.5 kbps

2.4 GHz

WirelessUSB

Trasmissione segnali a

banda larga

Bassi~100mW

Media

Punto a punto

<10m

100-500 Mbps

3.1-10.6 GHz

UWB

Trasmissione dati a corto

raggio

Automazione e controllo

Cable replacing

Wireless LAN

Controllo remoto

Remote control, trasmissione dati a corto

raggio

Applicazioni

BassiBassi~100mW

Medi~300mW

Alti~1W

Bassi(~200mW)

Molto bassi(10mW, dipende dalla distanza)

Consumi

SempliceMediaMedio/AltaAltaSempliceSempliceComplessità

Punto a puntoStella, albero,meshStellaStellaPunto a

puntoPunto a puntoTopologia di rete

~20cm10-100m10m50-100m10m1-9m (LOS)Area

106-424 kbps20-250 kbps1 Mbps11-54 Mbps0.3kbps20k-16MbpsData Rate

Connessione Induttiva

(13.56MHz)

868-902 MHz, 2.4GHz2.4 GHz2.4/5 GHz433 MHz

868/915 MHz800-900 nmFrequenza

NFC 802.15.4802.15.1802.11RF 433 868/915

IR

La tecnologia dei sensori wireless potrà permette ai sensori MEMS (MicroElectroMechanical System) di essere integrati con moduli di trasmissione e di elaborazione del segnale, ottenendo nodi-sensori a basso costo, di dimensioni contenute e a basso consumo di energia (Fig. 4.4). Sensori MEMS di temperatura, pressione, umidità, strani gauge e diversi tipologie di sensori piezoelettrici per misure di accelerazione, velocità e posizione sono stati integrati in nodi sensori wireless e sono disponibili sul mercato (Crossbow Technology Inc., 2004).

Fig. 4.4 – Esempi di smart sensor.

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4.2. Rete di monitoraggio AGRO-SMART

Anche in agricoltura gli utenti iniziano a sentire l’esigenza di disporre delle informazioni nel momento in cui queste servono, cioè ovunque siano svolte le operazioni, in pieno campo o in azienda. Le reti locali wireless o Wireless LAN (WLAN) sono diventate un elemento di forza in moltissimi settori, per aumentare la produttività dei dipendenti, migliorare la collaborazione e la capacità di risposta ai clienti. Uno degli aspetti critici che limita la diffusione di questi sistemi, è quello relativo alle infrastrutture, che dovrebbero supportare in maniera efficace le applicazioni business, gettando le basi per l’integrazione delle applicazioni più innovative o di settore. Perché la realizzazione di queste infrastrutture sia conveniente, occorre che ci sia un adeguato bacino d’utenza e che i costi di progettazione, installazione e manutenzione della rete siano ripartiti su più tipologie d’utenti. Se sul territorio esistono questi presupposti, la disponibilità di sensori e reti agrometeorologiche può rappresentare un’opportunità per tutti.

La maggior parte delle reti di monitoraggio oggi utilizzate impiega un certo numero di sensori collegati ad un unità centrale (Data logger) dove sono trattati tutti i segnali. La rete di monitoraggio AGRO-SMART è invece di tipo distribuito (Fig. 4.5), ovvero il processo dei segnali avviene distribuito tra i sensori stessi; quindi si punta alla realizzazione di reti di monitoraggio costituite da

o Sensori di costo e dimensione contenuta basati su MEMS o Elaboratori a basso costo e a basso consumo o Reti wireless

Fig. 4.5 – Schema di configurazione rete di monitoraggio

La tendenza attuale è quella a ridurre sempre più le dimensioni dei sensori, fino a renderli quasi

invisibili (smart sensors). Inoltre, grazie alle tecnologie di miniaturizzazione, è stata sviluppata la capacità di integrare all’interno di sistemi piccolissimi anche funzioni diverse, come la capacità d’immagazzinare dei dati, di elaborazione e di trasmissione ad altri sistemi remoti.

Questi sistemi possono quindi essere messi anche in contatto tra loro, fino a creare delle vere e proprie reti autonome, che possono essere configurate in maniera diversa, in funzione delle esigenze

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operative e di monitoraggio. I sensori più comunemente utilizzati in queste tipologie di reti possono essere:

o Sensori di temperatura o Sensori di umidità o Sensori di radiazione o Sensori di luminosità o Sensori di umidità del suolo o Sensori ottici (di movimento, telecamere, etc) o Sensori di posizione (GPS)

Attraverso il progetto AGRO-SMART si cerca è quindi quello di arrivare a realizzare una Stazione micro-agrometeorologica basata su nodi sensori composta da:

o Nodo micrometeo (temperatura, umidità) o Nodo agrometeo (canali per sensori agrometeo) o Nodo ripetitore (1° livello - controllo funzionale) o Nodo Elaborazione (ripetitore + eventuale 2° livello - Elab. modellistica) con trasmissione

al centro di monitoraggio

L’obbiettivo di una rete di rilevamento micro-agrometeo è quindi quello di raggiungere un livello operativo nell’acquisizione dei dati con costi compatibili con le attività proposte, relative al monitoraggio ambientale e micrometeorologico. La rete dovrebbe poter rispondere alle seguenti condizioni:

o Abbattere i costi di realizzazione, attivazione, gestione e manutenzione; o Aumentare il numero di punti monitorati; o Garantire un’elevata autonomia e automazione dei processi; o Incrementare la rapidità di analisi e di diffusione dei risultati; o Migliorare l’affidabilità del dato, grazie all’elevata intelligenza a bordo ( maggiore

controlli e analisi incrociata dei dati); o Ridurre l’impatto visivo e l’ingombro; o Aumentare la flessibilità delle applicazioni.

Nelle applicazioni agrometeorologiche, in generale, si può sacrificare un pò di precisione e affidabilità a favore di semplicità e bassi consumi. Se la rete di dati dispone di un sufficiente numero di sensori, anche la continuità della trasmissione e la parziale perdita di dati non dovrebbe creare problemi per il loro impiego (max 10 %). Per la gran parte delle applicazioni agrometeorologiche è sufficiente disporre di dati orari, purché questo dato sia una media oraria di più valori.

Considerando la disponibilità in zona di una stazione agrometeorologica classica, una configurazione base per la realizzazione di una rete di monitoraggio wireless potrebbe essere composta da:

n.1 Unità Wireless (principale) di acquisizione dei dati connessa ad un PC, sul quale è installato il software di gestione della rete.

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n.3 Unità secondarie (nodi ripetitori), in grado di raccogliere il segnale dei nodi-sensori e inviarlo via radio con cadenza prefissata all’Unità Wireless Principale.

n.12 Nodi sensori o smart sensors di temperatura e umidità dell’aria, in grado di trasmettere via radio il proprio dato all’unità secondaria, con cadenza prefissata.

Una ipotesi di rete wireless agrometeorologica potrebbe quindi avere la struttura proposta nella figura seguente:

Fig. 4.6 – Schema di configurazione rete wireless agrometeorologica

Un esempio dell’applicazione della tecnologia wireless la possiamo vedere nei vigneti della Sonoma Valley (California), con l’uso di sensori posizionati tra i grappoli che trasferiscono informazioni sulle condizioni delle viti, temperatura dell’aria e umidità del suolo al computer centrale. Ogni sensore è grande quanto un palmare e ha due batterie stilo, inoltre ogni 6 m circa, c'è una cella che ritrasmette il dato fino al computer centrale e il sistema operativo TinyOS sceglie in tempo reale il miglior percorso per i dati.

Estendendosi i vigneti anche in una zona collinare, la terra necessita di trattamenti diversi e grazie ai dati che vengono trasmessi al computer centrale, l’agricoltore è in grado di capire di quali trattamenti hanno bisogno le viti e di quanta acqua necessitano. Fino a ora le informazioni sono servite a segnalare ai viticoltori il momento opportuno per intervenire sulle vigne, ma il passo successivo è quello di arrivare a permettere al sistema di intervenire da solo.

Verifica operativae modellistica

Precision Viticulture e attivazione sistemi di attuazione

(es. irrigazione)

Nodi previsti: - sensori micrometeo (temp./umid. aria + chn ag.) - Staz. agrometeo (automatica) - nodo 1° livello (controllo funzionale) - nodo 2° livello (indici e modellistica) - nodo server (elab. GIS e rete)

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Un altro esempio è quello del Dipartimento Ricerca&Sviluppo di Intel, che in collaborazione con il Ministero dell'Agricoltura canadese, ha progettato una rete wireless di sensori che tengono sotto controllo oltre 50 ettari di vigneti nella regione sud della British Columbia.

"L'acqua è una risorsa che sta diventando scarsa - ha detto Don King, proprietario del vigneto canadese - e i sensori ci aiutano a capire quando e dove irrigare le vigne. Troppa acqua o troppo poca rovinerebbe la vendemmia". "Fino a oggi - ha concluso l'agricoltore - andavo ogni notte con lanterna e termometro per misurare le temperature: adesso potrò dormire di più".

Fig. 4.7 – Applicazione di una rete wireless di monitoraggio in un vigneto.

L’utilizzo delle reti basate su smart sensors potrà consentire una maggiore capacità di analisi e comprensione dei fenomeni da parte degli esperti e, conseguentemente, dei sistemi di supporto. I campi d’impiego in agricoltura di questi sistemi sono molteplici e vanno dal monitoraggio agrometeorologico all’attivazione di sistemi di controllo o di allerta precoce e questo ne favorisce la loro diffusione, abbassandone nel contempo i costi.

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5. BIBLIOGRAFIA

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