Relazione tecnica annuale 2013 - · PDF filericerca," in" particolare" a" carico"di"...

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Progetto operativo MALATRA -‐ Unità di ricerca GLACIES

“Bando per la creazione e sviluppo di Unità di Ricerca” -‐ Programmi operativi “FESR competitività regionale 2007/2013” e “FSE occupazione 2007/2013” (DGR 1998/2011). CUP: B 75 G 12000 28 0006

RELAZIONE TECNICA ANNUALE

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Sommario

Elenco degli acronimi .................................................................................................................. 3

Introduzione ................................................................................................................................ 4

A) Contesto ................................................................................................................................. 4

B) Il sistema MALATRA ................................................................................................................ 7 B1 Grandezze fisiche misurate ............................................................................................................... 7 B2 Scenari di installazione ..................................................................................................................... 8 B3 Definizione delle specifiche del sistema ............................................................................................ 9

B3.1 Determinazione delle frequenze di utilizzo per i ghiacciai ............................................................... 9 B3.2 Scelta delle antenne ...................................................................................................................... 12 B3.3 Capsula contenitrice ...................................................................................................................... 13 B3.4 Specifiche del sistema .................................................................................................................... 13

B4 Sviluppo del sistema ...................................................................................................................... 17 B4.1 Progettazione e ingegnerizzazione del PCB .................................................................................... 17 B4.2 Sviluppo del firmware .................................................................................................................... 17 B4.3 Test preliminari .............................................................................................................................. 19 B4.4 Algoritmi di localizzazione .............................................................................................................. 20

B5 Test in campo ................................................................................................................................. 20

C) Sintesi delle attività e dei risultati con riferimento allo Studio di fattibilità ............................ 22 C.1 Sintesi delle attività realizzate con riferimento ai WP .................................................................... 22 C.2 Attività previste nel prossimo semestre ........................................................................................ 23 C.3 Scostamenti rispetto allo studio di fattibilità ................................................................................. 23 C.4 Risultati conseguiti ........................................................................................................................ 25 C.5 Valore aggiunto del progetto e impatti sul sistema regionale della ricerca .................................... 25

Conclusione ............................................................................................................................... 27

Bibliografia ................................................................................................................................ 28

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Elenco degli acronimi

• BdM: Bilancio di Massa • DGR: Delibera di Giunta Regionale • EST: EnviSens Technologies srl • FMS: Fondazione Montagna sicura • GLACIES: GLaciers And Cryosphere International Expert Study group • GPR: Ground Penetrating Radar • I2C: Inter-‐Integrated Circuit • LOS: Line of Sight (linea di vista ottica) • MALATRÀ: Monitoraggio dell'Ambiente gLAciale mediante Tecnologia Rfid • PCB: Printed Circuit Board • RCS: Radar Cross Section • RFID: Radio Frequency IDentification • RSSI: Received Signal Strength Indicator • SoC: System On Chip • SPI: System Packet Interface • SWE: Snow Water Equivalent • UdR: Unità di Ricerca • USART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter • WSN: Wireless Sensor Network

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Introduzione

Come previsto nello studio di fattibilità, al fine di monitorare e di dare evidenza dello stato di avanzamento delle attività progettuali, è prevista la redazione di relazioni semestrali da parte dell’Unità di ricerca, in particolare a carico di Fondazione Montagna sicura ed EnviSens Technologies srl, partner finanziati, condivise ed integrate sulla base delle indicazioni degli altri partner. Nel mese di giugno è stata prodotta la prima relazione semestrale di cui si è resa evidenza con la sua pubblicazione online nella sezione dedicata all’Unità di ricerca sul sito web di Fondazione Montagna sicura e di EnviSens Technologies. La presente relazione rappresenta la II relazione semestrale, che coincide con la relazione tecnica annuale prevista dall’art.23 del Bando per la creazione e sviluppo di Unità di Ricerca” -‐ Programmi operativi “FESR competitività regionale 2007/2013” e “FSE occupazione 2007/2013” (DGR 1998/2011).

Dopo una parte iniziale in cui sono espresse le necessità da cui nasce il progetto MALATRA (primo progetto operativo in cui l’Unità di ricerca GLACIES è impegnata per i primi due anni), con un focus sulle attività di rilievo glaciologico attualmente condotte e per le quali il primo sistema è stato concepito (sezione A), sono dettagliati la progettazione e lo sviluppo del sistema RFID, a partire dall’analisi dello stato dell’arte esistente in materia -‐ in particolare il progetto GlacsWeb –, ed i risultati ottenuti nel primo anno di ricerca (sezione B). Seguono una sintesi delle attività e dei risultati realizzati ed in programma, in riferimento a quanto previsto nello studio di fattibilità (sezione C).

A) Contesto

Il progetto operativo MALATRÀ -‐ Monitoraggio dell'Ambiente gLAciale mediante Tecnologia Rfid -‐ si inserisce nel quadro più ampio del programma dell’Unità di Ricerca (UdR) GLACIES -‐ GLaciers And Cryosphere International Expert Study group, che mira a creare i presupposti per progettare e sviluppare strumenti innovativi per supportare il monitoraggio dell’ambiente di alta montagna. Lo sviluppo del progetto operativo, avviato in data 22 agosto 2012, corrisponde con i primi due anni di attività dell’UdR, finanziato dal Bando per la creazione e sviluppo di Unità di Ricerca” -‐ Programmi operativi “FESR competitività regionale 2007/2013” e “FSE occupazione 2007/2013” (DGR 1998/2011). Nello spirito di disporre di tecniche innovative che rispondano in modo sempre più performante alle esigenze degli studi di carattere ambientale, si osserva nella tecnologia RFID (Radio Frequency IDentification) un ottimo potenziale per la misurazione distribuita di determinate grandezze fisiche, al fine di ricavare modelli sempre più accurati che descrivano l’evoluzione degli ambienti glaciali e di alta montagna. Nonostante l’importanza di poter disporre di dati di questo tipo, attualmente non si è a conoscenza dell’esistenza sul mercato di strumentazione in grado di misurare con continuità e con sufficiente distribuzione spaziale determinate grandezze fisiche, anche all’interno del manto nevoso e del ghiaccio. Tra i vari ambiti di intervento, legati in particolare alle esigenze di studio e monitoraggio degli ambiti di alta quota e dei rischi connessi alla criosfera, sono stati individuati in fase di studio di fattibilità, il monitoraggio dei ghiacciai, il monitoraggio dei laghi glaciali ed il monitoraggio del rigelo nell’interfaccia neve-‐suolo. In questa prima fase di lavoro l’UdR si è concentrata sul monitoraggio di ghiacciai. Il crescente numero di pubblicazioni scientifiche riguardanti il monitoraggio degli ambienti glaciali dimostra l’interesse che, anche nel mondo accademico, sta assumendo lo studio degli eventi legati a questa tipologia di ambiente: da un lato perché i ghiacciai sono riconosciuti quale uno dei più importanti indicatori climatici, che danno chiara evidenza dei cambiamenti in atto, dall'altro perché, per lo stesso motivo, è da attendersi un aumento dei rischi naturali che si originano nelle aree glaciali e periglaciali e che possono avere ripercussioni non solo su questi ambienti, sempre più frequentati, ma anche sui fondovalle abitati. Il progetto operativo MALATRÀ è incentrato sullo sviluppo di un sistema costituito da tag, dispositivi elettronici di piccole dimensioni, associati a sensori per la misura di diverse grandezze fisiche, e da un reader per la ricerca e lettura dei tag. La grande opportunità offerta da tale soluzione risiede nell’adottare un sistema costituito da diversi tag a basso costo (per cui ne è accettabile la perdita di funzionalità o lo smarrimento), dislocati in campo, e da un reader più sofisticato, basato su un dispositivo

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portatile manovrato da un operatore a distanza; configurazione, questa, che permette di ottenere, in tempi molto rapidi, una grande quantità di dati relativi al ghiacciaio. Allo stato attuale non sono consueti i programmi di ricerca né le campagne di misura sul campo che applichino la suddetta tecnologia in ambito glaciologico. Monitoraggio dei ghiacciai -‐ tecniche attualmente utilizzate

Un ghiacciaio è costituito da una massa di ghiaccio derivata dalla trasformazione per compattazione delle nevi in firn (neve che ha resistito senza andare incontro a fusione almeno per un anno idrologico) e quindi in ghiaccio. Per compattazione si intende il seppellimento e la cementazione degli strati nevosi e delle acque di fusione, durante la quale i cristalli di neve si ricristallizzano in cristalli di ghiaccio; il processo si considera concluso quando i pori del manto nevoso, che originariamente ha un contenuto in aria superiore al 90%, sono totalmente occlusi e fanno sì che il ghiaccio contenga meno del 20% di aria. La formazione di un ghiacciaio è possibile ad altitudini o latitudini elevate e si completa quando la massa di ghiaccio, sotto la pressione del suo peso, inizia a spostarsi verso quote più basse e dalla zona di alimentazione scende verso valle. La massa del ghiaccio si muove per l’effetto di deformazioni interne, deformazioni all’interfaccia ghiacciaio/bedrock e per slittamento basale; non tutte le porzioni del ghiacciaio si muovono con la stessa velocità, in relazione ai diversi parametri di morfologia del bedrock e di temperatura del ghiaccio. Il movimento può essere facilitato anche dalla presenza di acqua sul fondo, punto in cui la temperatura è prossima a quella di fusione. Tale presenza si verifica nei ghiacciai temperati; in quelli freddi, al contrario, le acque di fusione sono quasi completamente assenti per cui il movimento della massa di ghiaccio è dovuto essenzialmente alle deformazioni che si verificano al suo interno, ma tale comportamento non è di interesse per lo scenario di riferimento relativo ai ghiacciai alpini30.

Volendo studiare le proprietà fisiche dei ghiacciai e la loro evoluzione (e velocità) è necessario quindi, in prima analisi, identificare due zone del ghiacciaio con comportamento assai diverso:

-‐ la zona di ablazione (per ablazione di intende la perdita di massa del ghiacciaio, che alle nostre latitudini avviene principalmente per fusione di neve e ghiaccio dalla superficie, in relazione alla radiazione solare);

-‐ la zona di accumulo (per accumulo si intende qualsiasi processo che, in un ghiacciaio, contribuisce ad aumentare la massa di neve e ghiaccio).

Figura 1 Zone del ghiacciaio

Durante lo spostamento, una parte di ghiaccio si perde per ablazione (nella cosiddetta zona di

ablazione). Le successive precipitazioni nevose rendono possibili nuovi accumuli (nella cosiddetta zona di accumulo).

Sulla base della differenza tra accumulo e ablazione, che dipendono dalle precipitazioni, dalla temperatura, dall'umidità dell'aria, dai venti e dall'inclinazione dei raggi solari, si verificano le seguenti situazioni:

-‐ se la differenza tra l'ablazione e l'accumulo è uguale a zero, il ghiacciaio è in equilibrio; -‐ se l'accumulo prevale sull'ablazione, il ghiacciaio si espande; -‐ se l'ablazione prevale sull'accumulo, il ghiacciaio si ritira.

L’evoluzione di un ghiacciaio è determinata dal bilancio tra gli accumuli di acqua solida (ghiaccio, neve) e le perdite (ablazione). La misura del bilancio di massa è una metodologia volta a quantificare tali

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variazioni in un periodo limitato, corrispondente di norma ad un anno idrologico. Si parla di bilancio di massa negativo quando il ghiacciaio è in una fase di contrazione del suo volume, di bilancio positivo quando il ghiacciaio è in fase di espansione.

Il bilancio di un ghiacciaio tra perdite ed accumuli, essendo strettamente legato a fattori meteorologici (precipitazioni e temperature), risulta un indicatore importante delle condizioni climatiche. I bilanci, quasi costantemente negativi, misurati sulle varie catene montuose da circa mezzo secolo e la riduzione areale che ne consegue, costituiscono la testimonianza ambientale più sicura e più accettata negli ambienti scientifici dell'incremento termico che caratterizza l'atmosfera del nostro pianeta. Il bilancio di massa può essere calcolato con diversi metodi. La metodologia classica "glaciologica" consiste nell'inserire aste di materiale vario (legno, metallo, etc.) della lunghezza di qualche metro (paline ablatometriche) in fori appositamente realizzati sulla superficie del ghiacciaio con una trivella a mano o a vapore. Successivamente, agli intervalli di tempo prestabiliti per la quantificazione dell’ablazione (generalmente all’inizio e alla fine dell’estate), si misura la porzione di palina che sporge dal ghiaccio o dal nevato e si ottiene un valore puntuale di variazione di spessore. Utilizzando valori standard di densità del ghiaccio (900 kg/m3) o effettuando misure specifiche di densità della neve, si ottiene l'equivalente in acqua dello spessore di materiale (ghiaccio o neve) accumulato o perso dal ghiacciaio. Questi valori puntuali vengono estrapolati all'intera superficie del ghiacciaio e permettono di ottenere il bilancio in metri cubi di equivalente in acqua (m3WE) e il bilancio netto medio in metri di equivalente in acqua (mWE), dove per equivalente in acqua (in inglese water equivalent –WE-‐) si intende la quantità di acqua contenuta in un determinato volume di ghiaccio o neve, ottenuta moltiplicando il volume del ghiaccio o della neve per la sua densità e dividendo il tutto per la densità dell'acqua (1000 kg/m3). Fondazione Montagna sicura, in collaborazione con ARPA Valle d’Aosta, esegue la misura del bilancio di massa di 6 apparati glaciali valdostani (per l’anno idrologico 2012-‐2013), che implica per ognuno di essi l'esecuzione di almeno 2 rilievi l'anno:

• Petit Grapillon (Courmayeur); • Toula (Courmayeur); • Rutor (La Thuile); • Grand Vallon (Cogne); • Timorion (Valsavarenche); • Indren (Gressoney-‐La-‐Trinité).

Nello specifico il calcolo del bilancio di massa viene realizzato suddividendo il ghiacciaio in n settori di superficie s omogenei dal punto di vista dell'accumulo (c) e dell'ablazione (a); per ciascun settore si realizza una trincea per determinare la densità del manto nevoso, pesando un campione di neve per ogni suo strato; il contenuto in acqua della colonna di neve indagata viene stimato calcolando la media ponderata (ρmedia) delle densità rilevate per ogni strato. Nei settori nei quali è possibile l’ablazione, sono installate una o più paline ablatometriche. In funzione della variazione di ghiaccio misurata, si determina lo spessore della colonna d’acqua persa per fusione in corrispondenza della singola palina ablatometrica, assumendo che la densità del ghiaccio sia sempre pari a 900 kg/m3.

L'indicazione fornita dai dati puntuali misurati in corrispondenza delle trincee e delle paline ablatometriche viene considerata valida per tutta la superficie del settore al quale si riferiscono; per quei settori nei quali sono presenti più paline o più trincee si esegue una normale media aritmetica tra i valori determinati. Ogni settore contribuisce in maniera indipendente al bilancio di massa dell'intero ghiacciaio. È infine da considerare che l’accumulo nevoso rilevato all’inizio della stagione di ablazione (ovvero all’inizio dell’estate, determinato dalla media aritmetica di numerose misurazioni dello spessore del manto mediante sondaggi manuali) è assunto essere il massimo accumulo rinvenibile sul ghiacciaio, in quanto è presente tutta le neve caduta durante l’inverno.

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Figura 2 Grafico del bilancio di massa del ghiacciaio del Rutor dall’inizio dell’attività.

Le difficoltà legate a questo tipo di monitoraggio si possono ricondurre principalmente al tempo impiegato nel realizzare una singola campagna di misura, alle misure di tipo puntuale della densità della neve, ricavate scavando trincee, e, di conseguenza, allo sforzo fisico ed all’esposizione al pericolo degli operatori che devono agire in alta quota su terreni ghiacciati.

A questo livello intervengono i dispositivi elettronici (tag) con tecnologia RFID, oggetto del progetto MALATRÀ, abbinati a sensori di pressione e temperatura, che saranno installati sui ghiacciai con lo scopo di monitorarne l’evoluzione.

B) Il sistema MALATRA

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

-‐ tag, dispositivo elettronico di piccole dimensioni e a basso costo (per cui ne è accettabile la perdita di funzionalità o lo smarrimento), dislocato in campo;i tag avranno la caratteristica di essere impermeabili, resistenti agli agenti atmosferici e alle basse temperature;particolare attenzione è stata rivolta alla riduzione dei consumi al fine di aumentare la durata delle batterie;

-‐ sensori associati ai tag, per la misura di diverse grandezze fisiche del ghiaccio; sono stati individuati vari sensori di tipo digitale ed analogico, con tempo di start-‐up molto breve e che permettono di attuare un attento monitoraggio dei consumi; il tempo di start-‐up di un sensore permette di spegnerlo ed accenderlo solamente per pochi istanti durante l'effettuazione della misura;

-‐ reader: dispositivo portatile manovrato da un operatore per l’individuazione dei tag tramite tecnologia RFID.

B1 Grandezze fisiche misurate Mediante un continuo confronto tra glaciologi e sviluppatori dei sensori è stato possibile coniugare le esigenze glaciologiche con le limitazioni operative legate all’ambiente ostile in cui si dovrà lavorare e con le caratteristiche tecniche che deve avere il sistema. Si è pertanto stabilito di sviluppare dispositivi RFID

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dotati di sensori in grado di misurare la pressione, la temperatura e la variazione di inclinazione rispetto alla verticale, sia in neve, sia in ghiaccio.

La pressione risulta importante ai fini del calcolo del bilancio di massa. L’obiettivo è misurare il peso del manto nevoso soprastante il sensore (posizionato all’interfaccia ghiaccio-‐neve), grazie al quale è possibile ricavare l’equivalente in acqua della neve (Snow Water Equivalent -‐ SWE). Infatti essendo lo SWE definito come il prodotto dell’altezza del manto nevoso per la sua densità, rapportato alla densità di riferimento dell’acqua

𝑆𝑊𝐸 =𝐻!"#" ∙ 𝜌!"#"

𝜌!"#$!

è immediato risalire ad esso una volta noto il valore della pressione in un determinato punto, che, secondo la legge di Stevino, è espressa come il prodotto dell’altezza del manto nevoso per la sua densità

𝐻!"#" ∙ 𝜌!"#" Posizionando i tag RFID in numerosi punti della superficie del ghiacciaio, sarà possibile ottenere dei

dati maggiormente distribuiti nello spazio rispetto a quanto sia possibile fare con lo scavo di trincee ed evitare le operazioni di scavo associate alla determinazione dello SWE.

La temperatura permette di stabilire il regime termico di un ghiacciaio; attualmente in Valle d’Aosta le attività di monitoraggio dei ghiacciai non implicano misure di questo tipo in maniera estensiva. La determinazione del regime termico è utile per definire quali ghiacciai (o quali settori di ghiacciaio) sono freddi e quali temperati; nel secondo caso esiste infatti la possibilità di acqua liquida all’interno del ghiacciaio e pertanto di sviluppo di laghi endoglaciali, che possono dare luogo a rotte improvvise con conseguenti piene nei corsi d’acqua a valle (vedi ad es. il caso del ghiacciaio di Tête Rousse in Francia). I dispositivi MALATRA potrebbero sostituire le catene termometriche, utilizzando una serie di tag equipaggiati di sensori di temperatura. A tal fine si è optato per un sensore in grado di apprezzare variazioni dell’ordine di 0.1°C, tipicamente una PT100, che è stato ubicato in una posizione periferica sulla scheda, in modo da evitare che il riscaldamento, peraltro minimo, dovuto al funzionamento della scheda, influisca sulle misurazioni della temperatura.

L’orientamento rispetto alla verticale del dispositivo calato in foro, infine, permette di ricostruire il movimento dello strato di ghiaccio nel corso del monitoraggio; inoltre mantenere la più completa verticalità assicura una migliore trasmissione del segnale radio in superficie. Tale grandezza viene misurata mediante l’uso di un accelerometro triassiale.

A queste grandezze si associa la localizzazione dei tag che, solidali al ghiaccio, permettono di derivarne la velocità di spostamento in alcuni punti.

B2 Scenari di installazione Dalle analisi condotte dall’Unità di Ricerca sull’impiego operativo dei sensori RFID nelle campagne

di monitoraggio dei ghiacciai, si sono identificate due modalità di posizionamento che comportano obiettivi di misura diversi. Installazione dei sensori RFID mediante scavo

In considerazione del continuo accrescimento del ghiacciaio, nella zona di accumulo si può prevedere l’installazione dei sensori mediante escavazione dello strato di neve e seppellimento dei sensori stessi al di sotto di questo primo strato, fino all’interfaccia neve-‐ghiaccio. Nel tempo il sensore si sposterà in pianta e verrà comunque sempre ricoperto da nuova neve che andrà ad accrescere lo strato di neve sopra di esso.

FIGURA 3. INSTALLAZIONE DEI SENSORI RFID NELLA ZONA DI ACCUMULO

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Il vantaggio di tale tipo di installazione risiede nell’assenza di vincoli particolari sulla forma e

dimensione dei tag RFID. In tale modo si può scegliere la dislocazione dei sensori ed il posizionamento dell’antenna nel modo ottimale.

Lo svantaggio è dovuto al lungo tempo necessario alla realizzazione dell’apertura per l’installazione del sensore, mediante scavo manuale. Indicativamente, se pensiamo di trovare dai 3 agli 8 metri di neve, tale tipologia di installazione diventa del tutto impraticabile; con un tempo di realizzazione di una buca che varia da 20 minuti a 90 minuti, volendo installare almeno 5 sensori, sarebbero impiegare oltre 7 ore. Installazione dei sensori RFID mediante sonda a vapore

Nella zona di ablazione la neve che si può trovare in primavera scompare totalmente durante l’estate rendendo visibile il ghiacciaio sottostante; perché i dispositivi rimangano solidali al ghiacciaio è necessario inserirli direttamente nel ghiaccio. Ciò è possibile mediante l’utilizzo della sonda a vapore, strumento utilizzato nelle campagne glaciologiche per l’installazione di paline ablatometriche. Tale strumento permette di eseguire dei fori nella neve e nel ghiaccio del diametro di 5,5 cm e della profondità massima di 12 metri.

FIGURA 4. INSTALLAZIONE DEI SENSORI RFID NELLA ZONA DI ABLAZIONE

Il vantaggio di tale tipo di installazione risiede nell’utilizzo di uno strumento che richiede da un

minimo di 30 minuti fino ad un’ora per la realizzazione di ogni foro e la cui velocità dipende dalla compattezza dei vari strati senza la richiesta di accorgimenti aggiuntivi. In tale caso, sempre nell’ipotesi di voler installare fino a 5 sensori nella medesima zona, il tempo si ridurrebbe tra le 3 e le 5 ore.

Lo svantaggio di tale metodologia di installazione risiede nelle specifiche stringenti per la realizzazione del dispositivo. In tale scenario è necessario costruire dei tag con il diametro massimo di 55 mm (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.

Pertanto, per il sistema MALATRA, si è deciso che l’installazione dei tag RFID sarà effettuata

utilizzando la sonda a vapore per le maggiori profondità raggiungibili, i tempi più rapidi e la minore fatica umana di realizzazione dei fori. Una volta praticato il foro e inseritovi il tag RFID completo di sensori, la procedura di lettura dei dati contemplerà le seguenti fasi:

• individuazione indicativa della posizione del tag mediante tecnologia GPS; • ricerca e individuazione più raffinata del tag mediante l’uso del reader; • interrogazione del tag e acquisizione delle misure memorizzate; • analisi in laboratorio dei dati acquisiti.

B3 Definizione delle specifiche del sistema

B3.1 Determinazione delle frequenze di utilizzo per i ghiacciai Principi di funzionamento della tecnologia RFID e WSN per i ghiacciai

Al fine di progettare il sistema è stata eseguita una ricerca bibliografica in particolar modo volta ad analizzare lo stato dell’arte delle reti WSN (Wireless Sensor Network) e RFID (Radio Frequency IDentification) per il monitoraggio dei ghiacciai1.

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Una rete di sensori wireless (WSN) è una rete costituita da un numero variabile di nodi autonomi, distribuiti nello spazio, che cooperano tra di loro per monitorare delle variabili di interesse. I nodi con a bordo i sensori rilevano i dati di interesse che vengono trasmessi alla stazione base (reader).

I nodi wireless sono equipaggiati con: • trasmettitore radio; • microcontrollore; • sensori di misura; • alimentazione.

Per quanto riguarda la rete WSN e l’utilizzo di sistemi RFID il progetto GlacsWeb (http://GlacsWeb.org/) monopolizza quasi tutta la letteratura scientifica in merito e costituisce la base per sviluppi futuri13, 14, 15, 16, 17, 19, 20. Il progetto GlacsWeb, a partire dal 2003 sul ghiacciaio Briksdalsbreen in Norvegia, ha sperimentato un sistema composto da sensori RFID installati ad una profondità di circa 80m nello spessore del ghiaccio, che comunicavano con una stazione di base fissa in superficie trasmettendo segnali radio ad un frequenza stabilita inizialmente a 868MHz. Successive modifiche nei valori di frequenza hanno consentito di raggiungere risultati migliori utilizzando tag attivi operanti a 433MHz. Un minore valore di frequenza corrisponde appunto ad una maggiore penetrazione del segnale attraverso il materiale di indagine. In una seconda installazione del 2008 sul ghiacciaio Skalafellsjökull, in Islanda, sono state raggiunte profondità di installazione dei sensori fino a circa 100m ed una frequenza di trasmissione pari a 173MHz, che ha consentito di ridurre ulteriormente le perdite di segnale dovute alla riflessione ed alla dispersione nel ghiaccio. I sensori erano equipaggiati con microcontrollori Microchip Technology dotati di 4kB di memoria, in grado di immagazzinare i valori misurati dai sensori di temperatura, inclinazione, pressione e conducibilità elettrica; inoltre un ricevitore GPS di superficie consentiva di determinare l’esatta ubicazione dei sensori e di tracciarne gli spostamenti. Frequenza di funzionamento in ghiaccio

Analizzando gli studi eseguiti nel progetto GlacsWeb è emerso che la frequenza da utilizzare è intorno ai 300 MHz. Frequenze utilizzate e funzionanti sono sia 315 MHz, sia 173 MHz, che presenta minori attenuazioni, anche se il suo utilizzo in una scheda elettronica realizzata per la rete in questione risulta più 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.

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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. 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, con impedenze diverse, nella zona di contatto

tra i due si crea una discontinuità che causa una parziale riflessione dell’onda incidente. Tale riflessione è determinata dal coefficiente di riflessione Г calcolato come segue:

Γ = 𝑍! − 𝑍!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.

Si è deciso che la capsula contenente il nodo RFID sia posta in foro verticalmente ed abbia forma di tipo cilindrico chiusa da due calotte sferiche (maggiore resistenza alla pressione del ghiaccio). Per cui la

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superficie riflettente ad un’onda incidente, indicata come RCS (Radar Cross Section, σ), assumendo r pari a 0.028m e una frequenza f pari a 315MHz, viene così determinata,:

σ = πr2=0.0024m2 r = 0.028m f = 315 MHz λ = 0,9524 m

Ipotizzando una distanza D di circa 10 m, si avrebbe che D è molto maggiore di λ (D ≫ λ) , ma la lunghezza d’onda è molto maggiore del raggio delle capsule (λ ≫ r ), per cui ci si trova nella situazione di dover applicare il fattore di riduzione di Rayleigh per la RCS.

Figura 5 Radar Cross Section di una sfera

Nel caso in esame ci troviamo con 2πr2/λ=0.005 ≪ 0.1; calcolando ora RCS con il fattore di

correzione, trovandoci nella regione di Rayleigh otteniamo una σ=2e-‐5 m2, il che significa che per la lunghezza d’onda utilizzata il tag offre una superficie riflettente praticamente invisibile. Solo a titolo di esempio, utilizzando un GPR pulsato con una potenza di 10kW, con una capsula alla distanza di 10 metri, applicando l’equazione del radar in spazio libero (cioè senza contare l’attenuazione del ghiaccio e neve)

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

La frequenza di funzionamento per la comunicazione tra tag e reader è stata pertanto scelta pari a 315MHz.

B3.2 Scelta delle antenne Le antenne sono un elemento critico del sistema di comunicazione tra tag e reader soprattutto se si desidera attraversare spessori non noti a priori di neve e ghiaccio e si tiene conto delle limitate dimensioni che devono assumere all’interno della capsula. Infatti la frequenza di esercizio del sistema presupporrebbe l'impiego di antenne dalla dimensione di circa 1 metro di lunghezza. L'impiego di antenne miniaturizzate associate a bassissimi livelli di potenza irradiata sono esigenze progettuali oggettive che rendono il lavoro di sviluppo, test e misura una vera sfida. Sono stati individuati ed acquistati due tipi di antenne per la comunicazione; infatti si sono prese in considerazione anche le antenne elicoidali e non solo i dipoli classici, come indicato dalla letteratura relativa al progetto GlacsWeb. I test preliminari di funzionamento con le due tipologie di antenne previste

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(si veda il deliverable per i dettagli), con collegamenti in aria e senza ostacoli, a distanza ravvicinata, hanno dato buon esisto per entrambe, sia in ricezione che in trasmissione.

B3.3 Capsula contenitrice Le dimensioni del foro praticato in ghiaccio e in neve dalla sonda a vapore hanno vincolato la

progettazione della capsula contenitrice, che si è dovuta dimensionare sulla base di un volume dalla forma cilindrica, per facilitarne l’introduzione nel foro. È sulla base di tale soluzione che in seguito si è cercato di sviluppare la tecnologia elettronica miniaturizzata in grado di essere contenuta dentro l’involucro progettato. Il disegno realizzato è stato consegnato ad una ditta di stampaggi in plastica che ha realizzato 10 esemplari del manufatto in nylon sinterizzato con infiltratura in resina epossidica, le cui caratteristiche sono riportate nel deliverable contenuto nel paragrafo B3.4.

Figura 6 Disegno quotato della capsula

B3.4 Specifiche del sistema Sulla base di quanto sopra riportato sono state definite le specifiche della strumentazione (oggetto del primo deliverable previsto dallo studio di fattibilità – Deliverable WP3 Specifiche del sistema, allegato alla presente), come riassunto nelle tabelle seguenti. Nella scelta dei componenti elettronici sono stati adottati particolari accorgimenti per ridurre i consumi, così come nella successiva fase di scrittura del firmware.

Ambiente operativo Temperature neve – ghiaccio -‐10°C a +1°C Massima profondità di installazione dei sensori 15 metri Dimensione fori (diametro) 50 mm Pressione massima del ghiaccio 200 kPa

Tabella 1. Specifiche ambiente operativo

Comunicazioni radio Saranno testate due tipologie di antenne di trasmissione, allo scopo di selezionare la più idonea alla ricerca in oggetto. Tipo 1 Produttore: Linx Technologies

14

Modello: ANT-‐315-‐CW-‐RH-‐SMA Tecnologia: elicoidale Frequenza: 315MHz Larghezza di banda: 10MHz Datasheet: https://www.linxtechnologies.com/resources/data-‐guides/ant-‐315-‐cw-‐rh.pdf

Tipo 2

Produttore: Linx Technologies Modello: ANT-‐315-‐HETH Tecnologia: elicoidale Frequenza: 315MHz Larghezza di banda: 10MHz Datasheet: https://www.linxtechnologies.com/resources/data-‐guides/ant-‐xxx-‐hexx.pdf

Tabella 2. Specifiche di comunicazione radio tag RFID

Alimentazione a batteria/consumi

Produttore VARTA Numero di batterie per tag

1

Tipologia batterie LiSOCl2 Tensione nominale 3,6 V Capacità 8500mAh Peso 50g Diametro esterno 25.9mm Altezza 50.5mm Datasheet http://www.varta-‐

microbattery.com/applications/mb_data/documents/data_sheets/DS7114.pdf Tabella 3. Alimentazione e consumi

Sensoristica Temperatura Saranno testate due tipologie di sensori di temperatura, allo scopo di selezionare la

più appropriata. Tipo 1

Produttore: IST – Innovative Sensor Technology Modello: P1K0.232.6W.A.010 Temperatura minima di rilevamento: -‐200°C Temperatura di rilevamento massima: +600°C Resistenza: 1kohm Materiale: platino Classe di precisione alle temperature di esercizio dell’ambiente operativo: A Temperatura di esercizio minima: -‐200°C Temperatura di esercizio massima: +600°C Resistenza al punto di congelamento: 1000ohm Datasheet: http://www.ist-‐ag.com/eh/ist-‐ag/resource.nsf/imgref/Download_6W7W_Platinum.pdf/$FILE/6W7W_Platinum.pdf

Tipo 2

Produttore: IST – Innovative Sensor Technology Modello: P1K0.0805.2P.A Temperatura minima di rilevamento: -‐50°C Temperatura di rilevamento massima: +150°C Resistenza: 1kohm

15

Materiale: platino Classe di precisione alle temperature di esercizio dell’ambiente operativo: A Temperatura di esercizio minima: -‐200°C Temperatura di esercizio massima: +200°C Resistenza al punto di congelamento: 1000ohm Datasheet: http://www.ist-‐ag.com/eh/ist-‐ag/resource.nsf/imgref/Download_SMD_Platinum.pdf/$FILE/SMD_Platinum.pdf

Accelerazione

Output: digitale Produttore: Analog Devices Modello: ADXL345BCCZ Accelerometro: triassiale Accelerazione: da ±2g a ±16g Risoluzione minima: 10bits Tensione di alimentazione: da 2V a 3.6V Temperatura di esercizio massima: 85°C Temperatura di esercizio minima: -‐40°C Datasheet: http://www.analog.com/static/imported-‐files/data_sheets/ADXL345.pdf

Pressione

Produttore: Honeywell Serie: SSC – Silicon Ceramic Series Modello: SSCDANT030PG2A3 Output: digitale Pressione di lavoro: 0-‐200kPa Tipo di pressione: relativa (gauge) Precisione: 2% fondo scala Involucro: Dual Inline Pin (DIP) Tipo di porta: Single Axial Barbed Temperatura di esercizio massima: 85°C Temperatura di esercizio minima: -‐20°C Corrente di alimentazione: 1.6mA Tensione di alimentazione: 3.3V Risoluzione minima: 12bits Datasheet: http://sensing.honeywell.com/honeywell-‐sensing-‐ssc-‐digital-‐silicon-‐pressure-‐sensors-‐product-‐sheet-‐008213-‐2-‐en.pdf

Magnetometro

Produttore: Honeywell Modello: HMC5883L-‐TR Campo magnetico minimo: -‐8 gauss Campo magnetico massimo: +8 gauss Risoluzione: 0.005 gauss Temperatura di esercizio massima: 85°C Temperatura di esercizio minima: -‐30°C Datasheet: http://www51.honeywell.com/aero/common/documents/myaerospacecatalog-‐documents/Defense_Brochures-‐documents/HMC5883L_3-‐Axis_Digital_Compass_IC.pdf

Tabella 4. Sensori di misura

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Microcontrollore

Produttore: Texas Instruments Modello: CC430F5135IRGZ Memoria RAM: 2kB Velocità CPU: 20MHz Numero di pin: 48 Memoria di programma: 16kB Tensione di alimentazione: da 1.8V a 3.6V Temperatura di esercizio massima: 85°C Temperatura di esercizio minima: -‐40°C Datasheet: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc430f5137.pdf

Tabella 5. Microcontrollore

Memoria flash per storage in locale

Produttore: Microchip Modello: SST25VF020B Quantità di memoria: 2Mbit Numero di pin: 8 Tensione di alimentazione: da 1.8V a 3.6V Temperatura di esercizio massima: 85°C Temperatura di esercizio minima: -‐40°C Datasheet: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/20005054C.pdf

Tabella 6. Memoria flash

Dimensioni e caratteristiche meccaniche capsula-‐contenitore

Forma involucro Cilindrica con coperchio sommitale Dimensioni Lunghezza: 220mm

Diametro esterno: 48mm Spessore: 3mm

Materiale involucro Nylon sinterizzato con infiltratura in resina epossidica Proprietà meccaniche Carico di rottura: 43MPa

Modulo elastico: 1517MPa Resistenza meccanica (prova d’urto di Izod): 216 J/m

Resistenza chimica Sostanze alcaline, idrocarburi, combustibili e solventi Proprietà termiche Punto di fusione: 184°C Proprietà elettriche Resistività elettrica (22°C, 50% RH, 500V): 3.1E+14 ohm-‐cm Proprietà dielettriche Costante dielettrica (22°C, 50%RH, 5V, 1000Hz): 2.9

Rigidità dielettrica (22°C, 50% RH, in aria, 500 V/sec): 1.6E+4 V/mm Tabella 7. Caratteristiche meccaniche e materiale della capsula contenitore

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B4 Sviluppo del sistema

B4.1 Progettazione e ingegnerizzazione del PCB Dopo aver individuato i componenti necessari per soddisfare i requisiti progettuali ed ottenuto tutti

i datasheets (contenenti le specifiche di interfacciamento dei sensori) si è proceduto allo sviluppo ex novo della scheda elettronica (PCB -‐ printed circuit board) seguendo tutte le fasi di ingegnerizzazione:

-‐ connessione logica dei componenti e stesura dello schema elettronico; -‐ disegno cad e circuitale del tag/reader, passando per il posizionamento dei componenti sulla

scheda definita in termini di dimensioni reali e tenendo conto dei vincoli di dimensionamento della PCB;

-‐ disegno delle piste di collegamento dei diversi componenti (sbroglio).

Per questa prima versione si è deciso di produrre n°8 esemplari di schede PCB (su quattro strati) e di acquistare il relativo materiale elettronico (sensori e componenti) ed antenne radio necessari per l’assemblaggio. In questa fase si sono individuati due tipi di antenne per la comunicazione e durante i test operativi si individuerà quella che garantisce le migliori prestazioni nell’ambiente operativo di ghiaccio e neve.

Figura 7 La scheda a circuiti stampati realizzata

Le schede sono state fatte assemblare a macchina da una ditta specializzata, ad eccezione del

sensore di pressione, di temperatura e dell'antenna radio, per i quali si è previsto di assemblarli successivamente in autonomia. Infatti il sensore di pressione deve essere montato manualmente sul fondo della capsula perché possa prelevare il valore di pressione all'esterno dell'involucro stesso. Il sensore di temperatura deve essere caratterizzato completamente nella sua dinamica di funzionamento per garantire la corretta lettura e se ne vuole verificare il comportamento e compatibilità con gli altri componenti della PCB.

B4.2 Sviluppo del firmware Una volta realizzate le printed circuit board (PCB) la fase successiva ha visto l’avvio dello sviluppo

del firmware, ovvero del software che equipaggia il tag ed è deputato al controllo ed alla gestione di tutte le attività eseguite dal microprocessore (raccolta delle misure dai sensori sia analogici che digitali, elaborazione e memorizzazione delle informazioni, risposta alle richieste del reader, comunicazione dei dati, etc).

L’attività è stata suddivisa in diversi passi: 1. Sviluppo dei drivers di ogni sensore e componente della scheda

Un driver è il software che interfaccia a basso livello un componente elettronico “intelligente” (ad esempio un microcontrollore) con un altro dispositivo meno “intelligente”

18

ma specializzato. Per basso livello si intende il livello dei segnali elettrici e dei comandi di base da fornire al microcontrollore seguendo le specifiche del costruttore e le esigenze del progetto. Un esempio è rappresentato dal protocollo di comunicazione appositamente sviluppato per la lettura dei dati rilevati da un sensore digitale oppure le procedure software che compongono il comando da inviare al dispositivo “intelligente” per la lettura dei valori in tensione restituiti da un sensore analogico e la conseguente conversione in informazione digitale. Nello sviluppo dei driver è stato quindi scritto tutto il software necessario al corretto funzionamento della parte elettronica presente sul PCB. I driver sviluppati per il tag hanno riguardato i seguenti sensori e dispositivi periferici del microcontrollore:

a. Sensori: i. Accelerometro (sensore digitale) ii. Magnetometro (sensore digitale) iii. Sensore di temperatura (sensore analogico interfacciato con porta

analogica del SoC) iv. Sensore di pressione (sensore analogico interfacciato con porta analogica

del SoC) b. Periferiche del microcontrollore:

i. USART (porta per la comunicazione digitale in forma seriale) ii. I2C (porta per la comunicazione digitale con i sensori) iii. SPI (porta per la comunicazione digitale con i sensori) iv. RF (trasmettitore a radiofrequenza integrato nel SoC) v. Memoria Flash (dispositivo per la memorizzazione dei dati

2. Verifica del funzionamento di ogni componente della scheda PCB

La scrittura dei driver ha permesso di scrivere delle routine di test per verificare ogni componente. Si è quindi sviluppato un firmware di test che una volta installato sul microcontrollore permette di verificare la funzionalità della scheda. Un esempio è la scrittura completa della memoria e la successiva lettura al fine di verificare se non vi siano dei settori danneggiati; un altro esempio è la lettura dei valori di tensione del sensore di pressione al fine di verificare se rientra nelle specifiche (in seguito viene eseguita la taratura fine del sistema). Dai test eseguiti su questa prima versione della scheda si sono ottenuti ottimi risultati in termini di risposta dei componenti e affidabilità del firmware. Ricordiamo che la scheda è stata sviluppata ad hoc per questa applicazione con un ridotto ingombro (quattro strati e dimensioni di 40mmx10mm), quattro sensori e una parte a microonde. Si sono solamente riscontrati dei difetti nell’assemblaggio da parte della ditta fornitrice dell’accelerometro, che non forniva le dovute letture in formato digitale; a seguito di una riparazione, anche questo sensore è comunque utilizzabile, seppure non si abbia la medesima garanzia di affidabilità, dopo un intervento di riparazione eseguito a mano su componenti di pochi millimetri di dimensione. Per lo sviluppo si è deciso di proseguire con le schede finora prodotte, ma, prima di procedere all’utilizzo dei dispositivi per un tempo prolungato in campo, si provvederà ad un nuovo acquisto.

3. Firmware per test preliminari di trasmissione Al fine di verificare la funzionalità del trasmettitore operante a radiofrequenza integrato nel microcontrollore e di poter disporre di una prima indicazione reale sul range in aria del prototipo sviluppato si è scritto il firmware ad hoc sia per il tag e sia per il reader così composto:

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il reader interroga continuamente la scheda tag, rimane in attesa della risposta da parte del tag e, una volta intercettata, ne calcola il livello di RSSI rilevato (misura di potenza ricevuta) e lo invia sulla porta seriale connessa ad un pc in modo da salvare i risultati del test. Il tag, inizialmente in stato di basso consumo, non appena rileva la presenza di un segnale a radiofrequenza inizia una fase di ascolto dopo di che, invia un pacchetto di dati ad ogni interrogazione da parte del reader.

Questa procedura consente quindi, in fase di test, di verificare il corretto funzionamento della comunicazione radio tra i dispositivi e di valutarne l'effettiva distanza di collegamento sia in campo aperto (in aria e senza ostacoli), sia in condizioni reali (posizionato sotto uno strato di neve o ghiaccio).

Al momento della stesura di questo documento è in corso l'ulteriore sviluppo del firmware per la realizzazione delle funzioni che il tag dovrà espletare in autonomia quando sarà posizionato nella sua sede operativa, comprese le funzionalità di registrazione dei dati derivanti dai sensori e di comunicazione radio con il reader; tale firmware è definito business logic del sistema.

B4.3 Test preliminari Test di trasmissione

Utilizzando il firmware scritto ad hoc si sono condotti dei test preliminari presso la sede di EnviSens Technologies a Quart per misurare una portata utile in condizioni di vista ottica tra tag e reader.

Figura 8 Mappa delle prove di trasmissione

A partire dalla sede di Envisens, il tag è stato progressivamente allontanato dal reader ad ovest, lungo la strada statale 26 ed infine verso sud, sulle tratte evidenziate in figura 8, riportando i seguenti risultati medi:

Distanza in LoS [m] RSSI [dBm] 60 -‐69 150 -‐75 200 -‐80 280 -‐92 450 -‐96 650 -‐97

20

La sensibilità di ciascun dispositivo è di circa -‐117 dBm, al di sopra di questo valore, da considerare come soglia massima, i dispositivi diventano “sordi”. Pertanto, il valore rilevato alla distanza massima di 650 metri in campo libero è da considerare come valore conservativo per garantire un collegamento stabile e affidabile tra i due dispositivi. Tali risultati sono solamente indicativi della portata radio ritenuta stabile dei dispositivi e sono stati eseguiti in un ambiente non controllato. In particolare si vuole evidenziare che alla distanza di 450 m il tag si trovava molto vicino all’autostrada e la visuale non era del tutto aperta (presenza di pali metallici e reti lungo il cammino ottico), mentre a 650 m il campo era maggiormente libero trovandosi al di sopra di un terrapieno. Alla luce di questo test in campo, il firmware realizzato si è dimostrato utile all‘esecuzione e pertanto, rendendolo di più facile utilizzo, può essere utilizzato anche in fase di test su ghiacciaio. Test della capsula contenitrice

Dopo aver verificato che le schede PCB, il sensore di pressione e la batteria venissero alloggiate comodamente all'interno delle capsule si è proceduto ad effettuare un semplice test fisico e meccanico delle sole capsule in ghiaccio; si sono inseriti dei pesi metallici nella capsula, la si è chiusa ermeticamente con del nastro isolante e la si è immersa in un contenitore pieno d’acqua, che è stato posto a sua volta in congelatore a -‐18 °C.

Una volta estratto il contenitore pieno d’acqua dal congelatore, si è lasciato fondere naturalmente il ghiaccio a temperatura ambiente e si è osservato che la capsula risultava aperta per 3-‐4 mm da una estremità, il che fa presupporre che si sia deformata e che questa deformazione abbia spinto verso l’esterno il tappo. Conseguentemente a tali risultati sono in corso altre tipologie di verifica della resistenza meccanica e valutazioni sulla più efficiente sigillatura delle capsule, che migliorino la resistenza all’infiltrazione di acqua e umidità.

B4.4 Algoritmi di localizzazione Per localizzare il tag e determinarne lo spostamento nel tempo e la profondità alla quale è collocato è necessario ricorrere all’impiego di algoritmi di localizzazione basati sui dati in possesso del reader. Allo stato attuale i dispositivi tag vengono localizzati utilizzando la misura RSSI per determinare la potenza del segnale ricevuto; essa rappresenta la tecnologia più adatta ai tag RFID sviluppati. Con l'ausilio dei valori RSSI e con l'esperienza di Envisens sulle tecnologie radar per il rilevamento ambientale è stata già intrapresa la fase di studio del miglior tipo di algoritmo di localizzazione da utilizzare in questo progetto. La ricerca mediante tecnologia GPS sarà utilizzata per una localizzazione indicativa dei tag in un sistema di riferimento assoluto e sarà associata alla successiva e più raffinata ricerca tramite algoritmi di localizzazione, che opera in un sistema di riferimento relativo (quello tra reader e tag).

B5 Test in campo Sono stati individuati tre tipi di test da eseguire nell’arco del periodo autunnale e invernale 2013-‐2014. Preventivamente, in particolare prima del test n°2, sarà necessario eseguire una verifica delle caratteristiche meccaniche e fisiche della capsula sottoponendola a prove di tenuta stagna, di resistenza alla pressione e di riscaldamento; quest’ultima prova sarà utile per determinare la presenza di materiali conduttivi che potrebbero schermare il segnale radio inficiando una corretta comunicazione tra tag e reader. Al fine di rendere le prove efficaci si ritiene fondamentale effettuare una progettazione dei test, che determini obiettivi, modalità di esecuzione (definite nel dettaglio mediante schemi prestabiliti), nonché parametri di controllo sulla base dei quali valutarne l’esito. In questo modo gli esperimenti, grazie ad una rigorosa esecuzione e ad una adeguata documentazione (anche fotografica), possono acquisire valenza scientifica e possono essere ripetibili. Tutte le future attività di test saranno pianificate secondo un calendario che terrà conto delle relative interdipendenze e degli esiti positivi e negativi delle prove effettuate. Sono di seguito riportati i tre tipi di test ed i rispettivi obiettivi; la progettazione di dettaglio è in corso.

21

Test n°1 • Luogo

Punta Helbronner, Massiccio del Monte Bianco • Periodo

1 giornata ad inizio ottobre • Obiettivi

Estrapolare i livelli di attenuazione del segnale con la massima precisione possibile a varie profondità. Saranno utilizzati tre tag ed un reader. Sarà costruita una curva del segnale in funzione della profondità e della distanza del reader rispetto alla verticale del tag. Si faranno prove di comunicazione con il reader sia a contatto della superficie sia in aria ad altezza uomo.

Test n°2 • Luogo

Punta Helbronner, Massiccio del Monte Bianco • Periodo

Ottobre-‐dicembre 2013 • Obiettivi

o Verificare la comunicazione tra il reader e il tag; o misurare la profondità del tag; o determinare la localizzazione planimetrica del tag; o verificare la continua e corretta alimentazione elettrica della scheda PCB; o verificare la corretta acquisizione dei dati dai sensori; o verificare la tenuta stagna della capsula contenitrice; o registrare e scaricare i dati misurati dai sensori.

Test n°3 • Luogo

Campo neve di Villa Cameron, Courmayeur (AO) • Periodo

Inverno 2013-‐2014 • Obiettivi

o Validazione delle misure di temperatura e pressione; o verifica della continuità di acquisizione.

22

C) Sintesi delle attività e dei risultati con riferimento allo Studio di fattibilità

C.1 Sintesi delle attività realizzate con riferimento ai WP WP 1: Analisi bibliografica; raccolta dati relativi alle proprietà fisiche del ghiaccio; acquisizione di maggiori competenze sui componenti elettronici.

È stato compiuto un importante lavoro di studio ed aggiornamento bibliografico che ha riguardato non solo le proprietà fisiche del ghiaccio, ma anche i numerosi progetti di reti di sensori ambientali che hanno preso corpo negli ultimi anni (progetto GlacsWeb dell’Università di Southampton); in 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.

WP 2: Scelta dei siti di monitoraggio; raccolta dati in campo.

Al fine di individuare i siti sono stati esaminati i dati glaciologici a disposizione, sono state analizzate nel dettaglio le modalità operative e di trattamento delle misure adottate attualmente e si è partecipato alle attività di rilievo di bilancio di massa. Sulla base dei confronti con gli esperti glaciologi di FMS e ARPA si sono definiti i siti più adatti all’installazione dei tag RFID per i test, individuando Punta Helbronner come sito privilegiato di test autunnale e il campo neve di Villa Cameron come sito di test della stagione invernale 2013-‐2014.

WP 3: Definizione delle specifiche del sistema sulla base del WP1 e del WP2: scelta delle frequenze da utilizzare e delle grandezze fisiche da misurare.

Sono state individuate le grandezze da misurare, i range, le precisioni e le modalità operative di installazione ed utilizzo del sistema MALATRA; sono state definite tutte le specifiche del sistema confluite nel deliverable incluso nella presente relazione (frequenza dell’antenna, caratteristiche dei sensori, capsula contenitrice).

WP 4: Sviluppo dei sensori.

È stata effettuata la progettazione delle schede a circuito stampato (PCB) e sono stati acquistati i componenti; sono state mandate in produzione e assemblate n°8 schede PCB. Il costo netto della realizzazione di n°8 schede è ammontato a circa €2.000. Le schede sono quindi state verificate grazie allo sviluppo di firmware ad hoc. Sono state testate a distanza ravvicinata le due tipologie di antenne individuate ed è stata sottoposta a prova meccanica e fisica la capsula con tenitrice. Si è sviluppato un firmware per eseguire i test radio in aria e con le capsule in ghiaccio/neve, mentre è in fase di sviluppo la business logic del firmware in modo da implementare la versione definitiva per i test di durata in campo.

WP 5: Campagna di test in ambiente glaciale dei sensori e, all’occorrenza, sviluppo ulteriore dei medesimi.

È prevista nell’ultima decade di ottobre una prima campagna di test della durata di un giorno a Punta Helbronner per verificare la comunicazione dei tag calati a varia profondità con il reader in superficie. In seguito è previsto un test funzionale della durata di circa due mesi che prenderà avvio negli ultimi giorni di ottobre, a Punta Helbronner, per verificare la continuità delle acquisizioni, la comunicazione radio e la tenuta stagna delle capsule contenitrici. Per la stagione invernale 2013-‐2014 sarà predisposto un sito di test nel campo neve di Villa Cameron allo scopo di verificare l’attendibilità e la precisione delle misure di temperatura e pressione della neve.

WP 6: Analisi dei dati raccolti.

Tale attività sarà svolta durante ed in seguito ai primi test in campo dei tag RFID.

23

WP 7: Disseminazione dei risultati. È stata creata e pubblicata una pagina web dedicata sui siti www.fondazionemontagnasicura.org e www.envisens.com. È stata presentata l’UdR nella riunione 2012 della Cabina di regia dei ghiacciai valdostani ed è stata pubblicata la notizia dell’avvio dell’UdR sulla newsletter di novembre 2012 di FMS; infine è stato distribuito un volantino di presentazione durante l'evento finale del progetto GlaRiskAlp. È prevista la produzione di abstract per partecipare all’International Symposium on Contribution of Glaciers and Ice Sheets to Sea Level Change che si terrà a Chamonix dal 26 al 30 maggio 2014, e al 18° Alpine Glaciology Meeting che si terrà ad Innsbruck dal 27 al 28 febbraio 2014. Si è pubblicato sulle pagine internet di Fondazione ed EnviSens il primo report semestrale delle attività realizzate dall’avvio del progetto.

WP 8: Automonitoraggio. 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. Una prima versione del report semestrale è stata prodotta a fine marzo; in seguito alle integrazioni e osservazioni da parte di tutti i componenti dell’UdR, il report è stato validato durante la riunione plenaria semestrale dell’Unità di ricerca, tenutasi il 13 maggio 2013, ed è quindi stato pubblicato sui siti web dei due partner finanziati (FMS e EST)

C.2 Attività previste nel prossimo semestre Di seguito vengono sinteticamente riportate le attività previste nel periodo agosto 2012 – febbraio 2013:

• caratterizzazione PT1000 (sensore di temperatura); • tuning driver; • sviluppo business logic; • progettazione dei test in campo; • test radio in campo a varie profondità; • test in campo di comunicazione, di durata, di efficienza e di registrazione dati del tag; • analisi dei dati dei test; • definizione dei siti di misura in ambiente glaciale per la primavera-‐estate 2014; • produzione di ulteriori schede PCB; • eventuali modifiche allo sviluppo dei dispositivi in relazione ai risultati dei test in campo.

C.3 Scostamenti rispetto allo studio di fattibilità 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. In particolare siccome è necessario mantenere la stagionalità delle operazioni sul campo (come indicato nello Studio di fattibilità) è stato necessario rimodulare i tempi e prevedere dei test alternativi in campo (inserendo dei test anche in inverno). Il planning delle attività aggiornato, esaminato congiuntamente ai referenti di ATTIVA e della Struttura Ricerca, innovazione e qualità durante l’audit del 4 luglio, è di seguito riportato.

Inoltre si segnalano difficoltà 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 e terza valutazione attivate a causa della rinuncia del primo e poi del secondo candidato), si è proceduto ad individuare un ulteriore candidato; si rimane in attesa di una sua valutazione e dell’eventuale sottoscrizione della convenzione a partire dal 1°

24

ottobre. Pertanto, per sopperire a tale carenza sono state integrate due nuove risorse del team di EnviSens, l’ing. Giampaolo Greco e l’ing. Eliana Vittaz (attive fin dai primi mesi del 2013), all’interno del team di ricerca. Inoltre, vista l’assenza dell’ing. Iris H. Voyat, il ruolo di team leader è stato assunto dall’ing. Michèle Curtaz, già parte dell’UdR, che sostituisce l’ing. Voyat nel suo ruolo di Responsabile tecnico dei progetti di Fondazione Montagna sicura.

WP Descrizione 9 10 11 120 Coordinamento+scientifico

1

Analisi+bibliografica;+raccolta+dati+relativi+alle+proprietà+fisiche+del+ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+competenze+sui+componenti+elettronici

2 Scelta+dei+siti+di+monitoraggio

3

Definizione+delle+specifiche+del+sistema:+frequenze+sensori+e+parametri+da+misurare

4 Sviluppo+dei+sensori

5Campagna+di+test+in+ambiente+glaciale+e+riprogettazione

6 Analisi+dei+dati+raccolti7 Disseminazione+dei+risultati8 Automonitoraggio

2012

WP Descrizione

0 Coordinamento+scientifico

1



3





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

25

C.4 Risultati conseguiti Con riferimento agli obiettivi scientifici e tecnologici specificati nello studio di fattibilità si riportano

sinteticamente i risultati conseguiti nel primo anno di attività, dettagliati nella parte B della presente relazione. WP3: a fine giugno 2013 è stato confezionato il deliverable contenente le specifiche di sistema. WP4:

• progettazione delle schede, acquisto, produzione e assemblaggio di n°8 schede a circuito stampato -‐PCB-‐;

• verifica delle schede PCB tramite lo sviluppo di firmware ad hoc; • test con esito positivo a distanza ravvicinata e su tratte in linea di vista delle due tipologie di

antenne individuate; • progettazione delle capsule (disegno e produzione) e acquisto di n°10 capsule; • sviluppo di un firmware ad hoc per eseguire i test radio in aria e con le capsule in ghiaccio/neve.

Oltre al completamento dei risultati del WP4, per quanto riguarda i risultati attesi per gli altri WP si rimanda a quanto riportato nello studio di fattibilità: WP5: raccolta dei dati dall’80% almeno delle schede messe in campo. WP6: analisi dei dati e realizzazione di un report. Produzione di almeno un articolo scientifico riassuntivo dell’attività svolta. Come parametri di controllo ci si prefigge di verificare e raggiungere i seguenti:

• Requisiti di affidabilità dei tag RFID: superamento dei test di affidabilità, con sopravvivenza (continuo funzionamento con cicli di lettura giornalieri per 2 mesi) di almeno 4 schede su 5;

• Corrispondenza tra misure ottenute con i tag e misure di controllo ottenute con metodi e attrezzature tradizionali:

o misura della posizione con un errore massimo di 1.5 m in pianta, 40 cm sulla verticale; o misura della temperatura con un errore massimo di 1.5°C (validazione con sonda al platino

PT100).

C.5 Valore aggiunto del progetto e impatti sul sistema regionale della ricerca Occupazione aggiuntiva

Nell’Unità di ricerca è stato possibile occupare diverse risorse tra cui:

WP Descrizione

0 Coordinamento+scientifico

1



3





1 2 3 4 5 6 7 82014

26

• ing. Andrea Roasio, con competenze nei sistemi di monitoraggio territoriale ed esperienza in ambito glaciologico, dedicato al progetto a tempo pieno per tutta la sua durata;

• l’ing. Eliana Vittaz, con competenze nell’ingegneria informatica ed in particolare nella programmazione, nelle reti telematiche e nella teoria dei segnali;

• l’ing. Giampaolo Greco, con competenze nell’ingegneria dell’informazione ed in particolare nella programmazione di firmware su microcontrollori e nello sviluppo di moduli con alta riutilizzabilità del codice.

Unitamente al team individuato, nell’UdR sarà possibile inserire una giovane risorsa grazie ai fondi stanziati per una borsa FSE. A tal fine sono stati pubblicati avvisi per la ricerca di giovani laureati nel campo dell’elettronica, telecomunicazioni ed informatica; l’offerta si è immediatamente incontrata con la domanda di alcuni candidati interessati a GLACIES. Tuttavia, problemi legati soprattutto alla rinuncia dei candidati di volta in volta individuati come idonei, per proposte di incarichi più duraturi e remunerativi, hanno generato un ritardo nella selezione della risorsa che si è protratto per tutto il primo anno di attività. Il perdurare dell’assenza di tale risorsa è stato affrontato con l’integrazione di due nuove risorse da parte di EnviSens Technologies, con conoscenze e competenze in ambito elettronico ed informatico (ing. Greco e ing. Vittaz). Tale integrazione risulta un’implementazione positiva del gruppo di ricerca, dal momento che questi costituiscono un valido contributo e un ulteriore valore aggiunto ai fini dello sviluppo del firmware, della programmazione delle schede a circuiti stampati e della trasmissione dei segnali tra i tag RFID ed il reader.

Si può affermare che l’UdR si è arricchita culturalmente e professionalmente grazie alla crescita delle sue risorse umane interne, che, dedicandosi allo studio e alla realizzazione delle attività del progetto, hanno potuto rafforzare le proprie competenze ed acquisire nuovo know how . Tali conoscenze e capacità potranno essere spese in una proficua continuazione dei lavori dell’UdR stessa, nello specifico ambito del progetto MALATRA o in ricerche in ambiti contigui, ma anche far sì che le risorse partecipino come attori primari ad analoghe iniziative del mondo del lavoro, portando con sé una capacità di competitività ragguardevole. In particolare, grazie al continuo confronto all’interno del team di ricerca e alla partecipazione ad eventi di formazione (ad esempio l’Alpine Glaciology Meeting a Grenoble il 14-‐15 febbraio 2013), sono stati acquisiti ed incrementati i livelli di competenza in:

• ambito glaciologico; • sistemi di monitoraggio territoriale; • sviluppo di sistemi elettronici di misura; • comunicazione mediante RFID in ambito glaciale; • sviluppo di algoritmi di localizzazione; • coordinamento tecnico di progetti; • capacità di movimentazione in ambiente glaciale.

Benefici tecnici ed economici GLACIES è il risultato in primis di una strettissima collaborazione tra FMS, che si occupa prevalentemente di rischi naturali in alta montagna e del monitoraggio di ghiacciai ed EST, società legata al Politecnico di Torino, che svolge attività di alta produzione tecnologica in ambito di telecomunicazioni; inoltre profitta dell’apporto di altri partner esperti, per quanto riguarda lo specifico ambito glaciologico su cui ci si è attualmente concentrati, quali l’ARPA VdA e il VAW dell’ETH di Zurigo.

Le tecnologie impiegate in GLACIES consentono di indagare la proprietà del ghiaccio e della neve in misura notevolmente più agevolata rispetto alla procedure tradizionali, impiegando numerosi tag RFID dispersi su una grande area di ghiacciaio di alta montagna dove l’intervento umano è difficoltoso, nonché, a volte, a rischio. Nello specifico le misure del bilancio di massa dei ghiacciai verrebbero, a seguito della messa a punto dei tag RFID, ad essere velocizzate, riducendo di fatto di molto il tempo di permanenza del personale addetto su ghiacciaio, abbassando il tempo di esecuzione della misura stessa, nonché eliminando persino lo scavo di trincea con conseguente beneficio fisico in termini di minore fatica umana. Si ritiene inoltre che a livello scientifico le misure che ne deriveranno saranno migliori poiché permetteranno di ottenere più dati a parità di area indagata e dunque di avere misure più accurate.

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Volendo riassumere, i benefici prodotti dall’impiego dei dispositivi MALATRÀ nell’ambito specifico di monitoraggio dei ghiacciai si possono così sintetizzare:

• riduzione dei costi grazie all’impiego di tecnologia a basso costo; • maggiore velocità di esecuzione del monitoraggio; • minore fatica umana; • riduzione del pericolo grazie ad una minore permanenza del personale su ghiacciaio; • acquisizione dei dati in punti diversi del ghiacciaio e dunque aumento del numero delle misure,

con conseguente maggiore spazializzazione del monitoraggio rispetto alle tecniche tradizionali; • misure in continuo per sorvegliare l’evoluzione del ghiacciaio nel tempo (attualmente sono

eseguite due/tre misure all’anno); • acquisizione di dati che non erano altrimenti acquisiti (temperatura, in profondità).

Il know-‐how tecnologico e scientifico acquisito dall’UdR GLACIES sarà trasferibile anche in altri

contesti, diversi da quello glaciale; ad esempio è applicabile nell’ambito dei rischi naturali (laghi, versanti in frana) dove esistono realtà con caratteristiche affini a quelle incontrate sui ghiacciai, dove cioè è indispensabile ridurre la presenza dell’uomo, aumentando così la sua sicurezza, e dove, mediante tecnologia a basso costo e l’impiego di dispositivi associati a sensori di misura che comunicano con la superficie senza il supporto di cavi, sarebbe possibile monitorare l’evoluzione dei fenomeni naturali in continuo e per periodi prolungati. Ad esempio, una possibile applicazione è immaginabile in versanti in frana potenzialmente pericolosi in caso di distacco, che necessitano tuttavia di un’adeguata sorveglianza; in tal caso le classiche misure inclinometriche e piezometriche potrebbero essere realizzate tramite l’installazione di catene di tag RFID predisposti con appositi sensori di misura, eliminando così il rischio del tranciamento dei cavi dell’alimentazione e la rottura della strumentazione, consentendo invece una continua trasmissione dei dati in superficie grazie alla tecnologia RFID.

È molto importante sottolineare le sinergie e le collaborazioni che si stanno realizzando e avranno

modo ulteriore di concretizzarsi tra l’UdR GLACIES e l’UdR Mountain Risk Research Team -‐ MRR Team (Progetto operativo “Rischio, Ricerca e Innovazione -‐ R.R.I.), coinvolta nello studio del meccanismo di umidificazione del manto nevoso ed il conseguente distacco di valanghe di neve umida e nell’approfondimento dei fattori, legati al substrato ed al manto nevoso, predisponenti i movimenti lenti della neve ed il distacco di valanghe per scivolamento. In tale ambito i sensori MALATRÀ potrebbero trovare applicazione nella misura della temperatura all’interfaccia suolo-‐neve e comporterebbero un grosso vantaggio grazie alla possibilità di avere misure in continuo per periodi prolungati; infine la mancanza di un cavo di collegamento tra il dispositivo e l’apparecchio di lettura in superficie rappresenterebbe un notevole vantaggio in termini di facilità di installazione e di assenza di una stazione fissa di acquisizione e memorizzazione dati. Grazie a tale collaborazione, al fine di ottimizzare le risorse e condividere le attività, si prevede di installare nel sito di misura di Sant’Anna nella Valle di Gressoney un dispositivo RFID le cui misure di temperatura e pressione saranno messe a confronto con le misure derivanti dalla stazione di misura messa a punto dal MRR team per il calcolo dello SWE, nonché con quelle effettuate settimanalmente dal Corpo Forestale nell’ambito dei rilievi nivologici.

Conclusione

A chiusura del primo anno di attività, si ritiene che i dispositivi progettati e sviluppati costituiscano non solo una valida alternativa, ma anche una positiva implementazione alle misure attualmente condotte per quanto riguarda lo specifico ambito del rilievo dei ghiacciai; inoltre gli approfondimenti condotti hanno permesso di individuare potenzialità di utilizzo in altri ambiti.

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