DATALOGGER A/D-GPS. Datalogger A/D-GPS. Rev.1104 Pag.1 di 26

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1 DATALOGGER A/D-GPS Datalogger A/D-GPS Rev.1104 Pag.1 di 26

2 INDICE 1. IL DATALOGGER A/D-GPS SEZIONE HW INTRODUZIONE MICROCONTROLLORE UTILIZZATO E CONFIGURAZIONE I/O MODALITÀ D ACCESSO DEGLI INGRESSI DIGITALI MODALITÀ D USO DEGLI INGRESSI ADC LE USCITE DIGITALI E LA SCHEDA RELÈ ACCESSORIA LA SEZIONE D ALIMENTAZIONE LA MEMORY-CARD MICRO SD LA SEZIONE GPS PORTA USB PER IL COLLEGAMENTO AL PC PORTA BLUETOOTH ACCESSORIA PER LO SCARICO DEI DATI MEMORIZZATI DIMENSIONI IMPOSTAZIONI E FUNZIONALITÀ SEZIONE SW LOCALIZZAZIONE GPS IMPOSTAZIONE DEL SENSORE DI MOVIMENTO MODALITÀ OPERATIVE DEL GPS EVENTI DI TRIGGER TRIGGER MEDIANTE INGRESSI DIGITALI IMPOSTAZIONE DEI TIMER SOGLIE ANALOGICHE STORICIZZAZIONE GEOREFERENZIATA: INTRUSIONI, SCONFINAMENTI INTERROGAZIONE DI VERIFICA DI STATO INTERROGAZIONE DI RIEPILOGO VALORI PARAMETRIZZAZIONI Datalogger A/D-GPS - 2 di

3 1. IL DATALOGGER A/D-GPS SEZIONE HW 1.1. Introduzione Il datalogger A/D-GPS è un dispositivo dotato di ingressi analogici e digitali e di ricevitore satellitare, in grado di acquisire contemporaneamente i parametri fisici di un sistema ed il posizionamento geografico dell oggetto su cui è installato. Queste funzionalità sono in genere svolte da prodotti distinti: i datalogger tradizionali (schede di interfaccia che rilevano e memorizzano il valore di grandezze misurabili mediante l uso di sensori e trasduttori) e i datalogger gps (privi di ingressi, finalizzati principalmente alla memorizzazione degli spostamenti di individui e mezzi). Il datalogger A/D-GPS combinando queste due tipologie di funzionalità in un unico prodotto, offre la possibilità di correlare i dati satellitari acquisiti (non solo la posizione, ma anche la velocità di movimento, la direzione di marcia e l altitudine) ad altri dati fisici (come la temperatura, la pressione, l umidità ) e consente di implementare nuove tipologie di monitoraggio per lo studio di apparati di varia natura. Gli esempi applicativi sono molteplici: il monitoraggio della temperatura di una cella frigorifera lungo un percorso (utilizzabile a fini certificativi), lo studio delle caratteristiche di un motore (temperatura, pressione, velocità) su un circuito, l'analisi dei parametri biometrici di un atleta durante una corsa... La quantità di dati memorizzabile è virtualmente illimitata, grazie all impiego di schede di memoria ad alta capacità, quali le micro SD (comunemente utilizzate nei telefoni cellulari ed in altri dispositivi elettronici audio/video). I dati sono registrati in un file.txt e possono essere letti ed archiviati su pc con qualsiasi editor di testo, estraendo la µsd ed inserendola nello slot per memory-cards, presente in tutti i personal computer; se questa operazione è resa scomoda o difficoltosa dall impossibilità di accesso alla scheda, è possibile corredare il datalogger a/d gps di porta bluetooth accessoria, per l acquisizione remoda dei dati storicizzati. Datalogger A/D-GPS - 3 di

4 1.2. Microcontrollore utilizzato e configurazione I/O Il cuore della scheda di acquisizione è costituito da un microcontrollore PICmicro che conferisce al modulo prestazioni eccezionali a fronte di dimensioni e costi ridotti. Alcuni pin del pic sono disponibili per l utente per gli usi che saranno descritti più avanti; essi sono disposti come segue: 4 ingressi digitali - 3 ingressi digitali trigger - 1 ingresso digitale dedicato al controllo del sensore di movimento controllo sensore Ingresso digitale 3 Ingresso digitale 2 Ingresso digitale 1 massa Ingresso adc3 Ingresso adc2 Ingresso adc1 3 ingressi adc per l acquisizione di valori analogici 1 connettore a sette poli, i cui pin hanno le funzioni seguenti: - 2 uscite ausiliarie, out1 e out2-1 porta di comunicazione dati, costituita da una uart low-ttl (linee tx ed rx) per l interfacciamento dei dispositivi esterni (porta usb e porta bluetooth) - 1 ingresso di controllo, per la rilevazione della richiesta di connessione della porta accessoria bluetooth (ingresso rts, request to send) - Massa e Vcc power, per l alimentazione di accessori esterni (scheda relè, porta bluetooth) massa linea RX linea TX ingresso rts out2 out1 Vcc power Datalogger A/D-GPS - 4 di

5 1.3. Modalità d accesso degli ingressi digitali Gli ingressi digitali hanno il compito di rilevare una richiesta di acquisizione dati proveniente da un evento esterno che ne causi una variazione di livello logico. Normalmente si trovano allo stato logico alto, grazie ad un pull-up interno al microcontrollore che li polarizza alla tensione +Vcc micro. L ingresso 4 è riservato al sensore di movimento integrato, costituito dal cilindretto dorato visibile in foto; qualora si utilizzasse un sensore di movimento esterno, l ingresso 4 può essere pilotato mediante commutazioni di stato (transizioni dallo stato basso allo stato alto o viceversa). Per rendere più versatile l accesso agli ingressi, è stato predisposto un jumper commutatore alle spalle della morsettiera d ingresso, che consente di configurare ogni ingresso in modo indipendente. Quando il jumper di un ingresso è posto sui pin strip a ridosso della morsettiera, l ingresso è configurato nella modalità d accesso detta diretta ; quando il jumper è spostato sui due pin strip più interni alla scheda (come in figura), l ingresso è configurato in modalità indiretta. Accesso diretto Quando un ingresso è configurato in modalità d accesso diretta, la morsettiera d ingresso è collegata direttamente ai pin del microcontrollore della scheda. Questa modalità d accesso ha il pregio di consentire la variazione dello stato di un input in modo molto semplice; è sufficiente un pulsante o interruttore che colleghi un ingresso a massa: ad interruttore chiuso, il pin di input si porta allo stato logico basso, aprendo l interruttore invece, il pin di input torna automaticamente al livello logico alto (senza dover applicare una tensione esterna, grazie ad un pull-up interno al microcontrollore). I pin sono pilotabili anche mediante tensioni low-ttl (con tensioni pari a 0-Vcc micro = 3.3V). Accesso indiretto Qualora si volesse pilotare un ingresso con una tensione di valore superiore a Vcc micro (sino a 24Vcc), occorre utilizzare accorgimenti specifici, onde preservare l integrità del microcontrollore e dell intera scheda. Nella modalità d accesso indiretto, il morsetto d ingresso raggiunge un transistor commutatore collegato a sua volta all ingresso del microcontrollore. Datalogger A/D-GPS - 5 di

6 1.4. Modalità d uso degli ingressi adc Gli ingressi adc sono particolari ingressi in grado di rilevare il valore di una tensione variabile, esprimendone il valore acquisito mediante un numero. Grazie a questa loro peculiarità, i convertitori adc sono utilizzati sia per leggere tensioni in genere (tensione di uno stabilizzatore, livello di carica di una batteria ), sia per l interfacciamento di sensori, ossia componenti elettronici in grado di trasformare una qualsiasi grandezza fisica naturale misurabile (temperatura, umidità, pressione ) in una tensione proporzionale. I convertitori adc hanno un range di funzionamento compreso tra 0V e Vref. = 3.3V, che è il valore di fondo scala misurabile ed anche il limite di tensione massimo applicabile per non danneggiare il processore. Tensioni superiori a Vmax = 3.3V possono essere applicate indirettamente ai convertitori adc attenuandone il valore mediante un partitore resistivo. La risoluzione dei convertitori adc è di 10bit, perciò la tensione letta è espressa mediante un numero compreso tra 0 e 1023 (il valore numerico decimale rappresentabile con 10bit). Dividendo l intervallo 0V 3.3V in 1023 intervalli, si ottiene la sensibilità dei convertitori, ossia l incremento minimo di tensione che aumenta di una unità il valore acquisito da un convertitore (pari a circa 3,3mV). La lettura dei convertitori adc viene espressa in forma assoluta per consentire all utente di ricavare il valore della grandezza fisica in base al sensore utilizzato. Ad esempio, il sensore di temperatura LM35 ha una uscita in tensione proporzionale ai gradi centigradi; per ogni aumento di grado di temperatura, l uscita del sensore LM35 aumenta di 10mV. In base a quanto detto, per ogni grado centigrado di temperatura il convertitore incrementa di 3 unità il valore letto, perciò si avrà una lettura di 0075 a 25 C, 0030 a 10 C e così via. Per ogni sensore, esiste una relazione di proporzionalità tra grandezza fisica misurata e tensione d uscita, perciò si dovrà applicare una formula di conversione dipendente dal sensore utilizzato, per ottenere la lettura espressa nella unità di misura della grandezza rilevata (gradi centigradi, pascal, lumen ). Un metodo alternativo è quello di anteporre un partitore attenuatore sull ingresso, in modo che, scegliendo adeguatamente i valori delle resistenze, la lettura in bit del convertitore adc corrisponda direttamente alla grandezza fisica misurata; ad es. con un attenuatore che divida per 3 la tensione di ingresso, la lettura di 0010 bit di un LM35 corrisponde a 10 C, 0033 bit = 33 C e così via Datalogger A/D-GPS - 6 di

7 1.5. Le uscite digitali e la scheda relè accessoria Il datalogger A/D-GPS è dotato di due uscite disponibili per eventuali personalizzazioni del prodotto. In questa release software, l uscita 1 si attiva per qualche secondo quando una variazione degli ingressi digitali scatena una richiesta di log dei dati mentre l uscita 2 si attiva quando la memorizzazione del dato è causata da altri eventi; le uscite potrebbero essere utilizzate ad es. per generare un evento sonoro, pilotando una sirena o un piccolo buzzer, a scopo d allarme o come strumento diagnostico nella configurazione del prodotto. Lo stato logico di ogni uscita è evidenziato da piccoli led a basso consumo, che si illuminano quando l uscita corrispondente si trova allo stato alto. Il segnale logico fornito dalle uscite è di tipo low-ttl, pari a 0Vcc quando l ingresso è allo stato logico basso e pari a Vcc micro, quando l ingresso è allo stato logico alto. Poiché non si tratta di un segnale di potenza, le uscite digitali non possono essere utilizzate per pilotare direttamente un relè ma occorre utilizzare uno stadio transistorizzato esterno oppure utilizzare una scheda relè accessoria optoisolata. La piedinatura del connettore d uscita è tale da non richiedere nien altro se non la connessione diretta tra il datalogger e la scheda relè, come in figura. Se la scheda viene utilizzata con altri accessori, è preferibile collegare la scheda relè mediante un cavo di connessione. I relè utilizzati sono normalmente a 12Vcc, pertanto tale deve essere anche la tensione di alimentazione del datalogger A/D-GPS. Nei veicoli alimentati a 24Vcc, la scheda relè è predisposta per il montaggio di uno stabilizzatore aggiuntivo (da richiedere in fase d ordine). Datalogger A/D-GPS - 7 di

8 1.6. La sezione d alimentazione Il datalogger A/D-GPS può essere alimentato con una tensione esterna proveniente da un alimentatore stabilizzato in corrente continua 8-30Vcc e supporta l uso di una batteria al litio collegata in tampone, grazie al circuito di carica integrato. La tensione di alimentazione va applicata alla morsettiera più grande presente sul circuito, secondo la polarità seguente: polo positivo a dx, polo negativo/massa a sx; il dispositivo è protetto dalle inversioni di polarità. Il datalogger assorbe qualche decina di ma, perciò è possibile utilizzare un alimentatore con una corrente d uscita bassa; se però il circuito è utilizzato con batteria tampone, la corrente richiesta per ottimizzare il processo di carica della batteria è di 500mA, mentre un alimentatore con portata inferiore rallenterebbe i tempi di carica. Il circuito di carica segnala le fasi di carica della batteria ed il completamento del processo mediante il led posto a sinistra del connettore di alimentazione. Il connettore di batteria è sagomato in modo che sia impossibile collegare la batteria al contrario. Alle spalle dei morsetti di alimentazione, un pin-strip a 3 poli consente di selezionare la modalità di alimentazione del circuito. Collegando il pin centrale col pin di destra mediante il jumper (foto dx), il circuito viene alimentato direttamente da una fonte esterna (ad es. un alimentatore 12V), senza batteria al litio accessoria, e se l alimentazione esterna viene a mancare, il circuito si spegne. Collegando il pin centrale col pin di sinistra (foto sx), il datalogger viene utilizzato con batteria al litio collegata in tampone; la corrente dell alimentatore esterno viene dirottata verso il circuito di carica e se la fonte di alimentazione viene scollegata, il datalogger continua a funzionare alimentato a batteria. Datalogger A/D-GPS - 8 di

9 1.7. La memory-card micro SD La memory-card micro SD rappresenta uno degli elementi chiave del datalogger A/D-GPS, perché è il supporto fisico su cui vengono memorizzati i dati. Il file di log contenuto sulla µsd si chiama gpslog.txt e può essere letto e copiato o mediante un comune pc, inserendo la memoria nell apposito inserto per Sd cards o scaricato da remoto con una connessione bluetooth (utilizzando la porta bluetooth accessoria). Il file deve essere già presente sulla scheda SD e non deve essere vuoto (basta uno spazio seguito da un return), perciò non deve essere cancellato ma, può essere svuotato e salvato memorizzando una riga vuota. La scheda µsd va inserita lateralmente nel connettore specifico, rivolgendo i contatti verso l alto (come in foto) e spingendola delicatamente all interno, sino ad avvertire il blocco del meccanismo interno a molla che trattiene la scheda; il connettore in ogni caso ne impedisce l inserimento in qualsiasi altro verso che non sia questo. Analogamente, per estrarre la memoria, occorre spingerla delicatamente verso l interno, sino ad avvertire il meccanismo a molla interno al connettore che rilascia la scheda espellendola. La gestione della µsd è affidata ad un chip dedicato, tanto piccolo quanto potente, posto in prossimità della morsettiera che fa capo agli ingressi adc. L attività del datalogger è evidenziata dal flash di un piccolo led posto sull angolo della scheda, che si comporta come segue: all accensione, il programma effettua il controllo della presenza del file gpslog.txt e della sua corretta inizializzazione; se il file manca o è vuoto, il led rimane permanentemente acceso a segnalare la condizione di errore se il test iniziale ha esito positivo, il led emette un brevissimo flash ad ogni storicizzazione di un dato se la memory-card non è inserita, il led rimane spento. Datalogger A/D-GPS - 9 di

10 1.8. La sezione gps La sezione gps è collocata sull angolo della scheda identificato dalla presenza del connettore d antenna sma. Il ricevitore satellitare utilizzato è basato sul chipset della SkyTraq e vanta un totale di 65 canali, per una sensibilità di -161db (contro i 20 canali x -159db del celebre sirfstar III). Il chip è performante da molti punti di vista: nei consumi (limitati a 23mA in tracking mode), nei tempi di acquisizione (29s dopo un cold start), nella temperatura operativa (-40 C+85 C). Il datalogger A/D-GPS viene fornito completo di antenna attiva gps, solitamente dotata di cavoprolunga della lunghezza di alcuni metri, per collocare l antenna nel luogo a migliore ricezione. L installazione può essere effettuata occultando il dispositivo ed esponendo la sola antenna gps. La qualità ed il posizionamento dell antenna gps sono di importanza fondamentale; in particolare, l antenna gps deve essere posta in modo da vedere il cielo, dove la visibilità è espressa in termini di campo elettromagnetico e non nell accezione fisica dell espressione. Pertanto l antenna può essere nascosta sotto piani di plastica (nel cruscotto, sotto al vano cappelliera dell automobile, sotto al sedile nelle automobili con tettuccio apribile ) ma non sotto piani metallici schermanti. Prospetto di sintesi: Gps con chipset Skytraq 65 canali Sensibilità -161db Time to first fix (cold start) 29s Consumo 23mA in tracking mode Temperature operative -40 C / +85 C Datalogger A/D-GPS - 10 di

11 1.9. Porta usb per il collegamento al pc Il datalogger A/D-GPS può essere collegato ad un personal computer per effettuare le operazioni di impostazione e variazione dei parametri di funzionamento. A tal fine ci si avvale di un convertitore uart/usb che trasforma il segnale low-ttl delle linee di comunicazione RX e TX poste sul connettore a 7 poli già descritto, in un segnale adatto ad interfacciare la porta USB di un computer. Una volta installato il driver del dispositivo sul pc, il convertitore usb viene visto come una normale porta seriale e può essere utilizzato con qualsiasi programma di comunicazione, come ad es. hyperterminal, in dotazione su tutti i pc dotati di sistema operativo windows; sia il driver che hyperterminal possono essere scaricati dalla sezione del sito accessori/convertitori usb. Per effettuare il collegamento tra pc e datalogger occorre procedere come segue: Collegare il cavo usb al computer ed al convertitore usb; due led posti lateralmente al connettore usb inizieranno a lampeggiare prima rapidamente e poi più lentamente Aprire il programma di comunicazione (ad es. hyperterminal) ed impostare una connessione alla nuova porta seriale creata dal convertitore, settando i parametri a 115kb, 8 bit di dato, no parità, no controllo di flusso Alimentare il datalogger e collegare immediatamente il convertitore usb sui primi tre pin del connettore a sette poli (come in figura) led out1 led out2 led rts led TX led RX led start Una volta alimentato il datalogger, il led di avvio (il primo dal basso verso l alto) emette alcuni flash; alla connessione con il convertitore, il led RX si illumina, alimentato dal TX del convertitore. La verifica della richiesta di connessione locale da parte della porta usb, viene effettuata entro i primi secondi dall accensione della scheda; la porta seriale viene configurata per l accesso di una connessione esterna ed in questa fase anche il led TX dietro al connettore a 7 poli si illumina. Datalogger A/D-GPS - 11 di

12 Se i passi precedenti sono stati eseguiti correttamente, sul programma di comunicazione appare all utente una richesta di connessione costituita dalla scritta READY?, alla quale l utente deve far seguire la digitazione del carattere Y, per confermare la connessione. Se il datalogger non riceve conferma entro un tempo limite di poche decine di secondi, entra nella modalità di funzionamento normale; la connessione esterna viene disattivata ed il led TX si spegne. Se la connessione ha esito positivo, il datalogger conferma la modalità di programmazione locale inviando il testo HELLO. La modalità di programmazione locale consente all utente di programmare, personalizzare e sperimentare il dispositivo inviando, tramite la porta usb, tutti i comandi di impostazione ed interrogazione descritti nel capitolo successivo. Ogni stringa di comando corretta, inviata al datalogger, viene confermata mediante i caratteri OK. In genere, i caratteri trasmessi alla scheda non appaiono su hyperterminal, a meno che non venga espressamente abilitato l eco dei caratteri digitati sulla tastiera; per far ciò occorre selezionare dal menu file la voce proprietà ed impostare nella schermata successiva impostazioni/impostazioni ASCII il flag echo dei caratteri digitati localmente. In questa fase, la scheda si programma come se fosse operativa, però i dati appaiono sullo schermo del programma di comunicazione (non vengono memorizzati sulla scheda SD) e la stringa viene rappresentata mediante una stringa di pochi caratteri ($GPRMC ***) in quanto la porta di comunicazione, al momento è dedicata alla porta usb e non può interfacciare realmente il gps. Una volta impostati i parametri, il datalogger può essere messo in esercizio scollegando la porta usb, collegando eventualmente la porta bluetooth se prevista, e riavviando il dispositivo. Datalogger A/D-GPS - 12 di

13 1.10. Porta bluetooth accessoria per lo scarico dei dati memorizzati La porta accessoria bluetooth è un dispositivo wireless che consente di leggere a distanza il contenuto della microsd ed effettuare periodicamente lo scarico dei dati memorizzati dal datalogger, senza dover estrarre fisicamente la memoria dal dispositivo. Il modulo utilizzato è un dispositivo bluetooth di classe 1, ha una portata sino a 300m in linea d aria e l antenna integrata. Un sistema di download dei dati contenuti nella microsd è costituito da due dispositivi wireless che colloquiano tra loro in modalità bluetooth: una porta bluetooth slave, che si installata in modo permanente assieme al datalogger una porta bluetooth master che si collega al pc col quale viene scaricato e salvato su file lo storico memorizzato dal datalogger Il dispositivo slave si collega al connettore a 7 poli da cui trae anche la tensione di alimentazione necessaria al suo funzionamento. Il modulo bluetooth è stato pre-impostato per essere raggiungibile ma non rilevabile, ossia non rivela la sua presenza ad altri dispositivi bluetooth ma consente il collegamento solo all utente master che ne conosce l identificativo, costituito dalla sequenza di numeri e lettere scritta sulla targhetta presente sul modulo stesso. Inoltre, il modulo è stato posto in una condizione di risparmio energetico, per limitare l assorbimento di corrente a soli 3mA; a causa di questa impostazione, il modulo bluetooth entra nella condizione di stand-by se non rileva il TX di un dispositivo collegato sulla sua linea RX. Poiché nella normale operatività, la linea TX del connettore a 7 poli del datalogger è inattiva (infatti il Led TX è spento), occorre configurare il dispositivo all uso della porta bluetooth accendendolo ed inviandogli la stringa di comando seguente: OnB (attiva il collegamento con la porta bluetooth accessoria) OffB (disattiva il collegamento con la porta bluetooth accessoria) Alla ricezione del comando onb, il datalogger attiva la linea TX (si accende il led TX) ed anche il bluetooth slave attiva la sua linea TX (che accende il led RX del datalogger) e diventa operativo. L attivazione permanente della porta bluetooth comporta l accensione di 2 led e, benché l assorbimento sia di soli 5mA, è comunque superiore all assorbimento del bluetooth stesso; in alternativa, è possibile dissaldare i led, la cui funzione è principalmente quella di supportare gli utenti nelle prime sperimentazioni con i collegamenti accessori. Datalogger A/D-GPS - 13 di

14 Il dispositivo master è costituito da un modulo bluetooth collegabile alla porta usb del pc mediante il convertitore usb analizzato nel paragrafo precedente ed alimentato dalla porta usb stessa. Il computer colloquia col il master bluetooth tramite la porta seriale generata dal convertitore usb e come programma di comunicazione può essere usato come al solito hyperterminal o simili, configurato con le impostazioni seguenti: 115kb, 8 bit di dato, no parità, no controllo di flusso. In sintesi, i passi operativi per la connessione col dispositivo slave per avviare lo scarico dei dati sono i seguenti: collegare il master bluetooth al pc tramite il convertitore usb avviare una sessione di comunicazione con hyperterminal impostare il salvataggio dei dati su file (menù trasferisci/cattura testo) digitare su hyperterminal ATD# (seguito da invio) dove # è l identificativo del modulo slave riportato sulla targhetta dell accessorio (es. ATD008398F7E64A) All atto pratico dunque, lo scarico dei dati è una operazione molto semplice, paragonabile ad una telefonata bluetooth tra master e slave, che si risolve nell unico comando di chiamata di connessione effettuato dal bluetooth master verso lo slave. Il modulo slave è programmato per rispondere automaticamente alla chiamata del dispositivo master. Quando i due moduli sono connessi tra loro, la porta acessoria bluetooth evidenzia lo stato di connessione alzando il segnale RTS (si accende il led rts); il datalogger rileva la richiesta di invio e comincia a trasmettere il contenuto dello storico contenuto nella microsd. Nel caso di molti dispositivi datalogger, è sufficiente disporre di una porta bluetooth slave per ogni datalogger ed un solo dispositivo master da collegare al pc. Lo scenario applicativo tipico è quello di una flotta di mezzi che, rientrando in deposito a fine turno scaricano il loro percorso giornaliero ad una stazione pc. Datalogger A/D-GPS - 14 di

15 1.11. Dimensioni La dimensione del circuito stampato, escludendo le sporgenze (il connettore d antenna sma ed il connettore strip femmina a 7 poli) ed includendo le bandelle laterali opzionali, è pari a 98x75mm, per una altezza di 20mm. Le bandelle sono state aggiunte per facilitare l inscatolamento del dispositivo in un contenitore plastico e possono essere eliminate piegandole mediante una pinza, grazie alle incisioni laterali che ne facilitano la spezzatura. In questo caso le dimensioni si riducono a 98x68x20mm. L eliminazione delle bandelle va richiesta in fase di acquisto, perché è una operazione da effettuare con delicatezza. Datalogger A/D-GPS - 15 di

16 2. IMPOSTAZIONI E FUNZIONALITÀ SEZIONE SW 2.1. Localizzazione gps Il datalogger memorizza i dati satellitari utilizzando lo standard NMEA, ossia il formato universalmente utilizzato per la comunicazione dei dati dei dispositivi gps e riconosciuto dai software cartografici. Tra le varie stringhe NMEA esistenti, la più completa ed interessante è la stringa denominata RMC, che contiene i dati relativi alla posizione geografica, la data/ora di acquisizione, la direzione e la velocità di spostamento; nella tabella in basso è riportato il tracciato dati completo. La stringa RMC è l unica memorizzata dal datalogger; la memorizzazione delle altre stringhe può essere richiesta come variante software personalizzata. $GPRMC, , A, , S, , E, 1.3, 171.8, , 0.0, W, *57 Identificativo del messaggio (Recommended Minimum Specific GPS Data) Ora, in coordinate universali (17h, 23m, s) Validità dato gps: A=valido, V= invalido Latitudine (37 gradi '' direzione Sud) S=sud / N=nord Longitudine (17 gradi '' direzione est) E=est / W=ovest Velocità a livello del suolo, in nodi gradi reali data giorno,mese,anno variazione magnetica in gradi E=est / W=ovest Caratteri di controllo Esempi stringa non valida - $GPRMC, ,V, ,N, ,E,000.0,000.0,280606,,,N*7 stringa valida - $GPRMC, ,A, ,N, ,E,000.0,000.0,140111,,,A*68 Datalogger A/D-GPS - 16 di

17 2.2. Impostazione del sensore di movimento Sebbene il ricevitore gps sia già di per se un sensore di movimento, si tratta anche di un componente che consuma una corrente di circa 20-30mA, un assorbimento basso ma che comunque limita l autonomia complessiva del sistema nelle applicazioni a batteria. Per tale ragione, il datalogger è stato dotato anche di un sensore di movimento aggiuntivo, di tipo elettromeccanico, che non consuma corrente ed ha semplicemente il compito di generare una segnalazione di movimento gestita opportunamente dal processore pic. Utilizzando questo componente è possibile minimizzare i consumi del dispositivo: il gps può essere posto della modalità stand-by (ossia in una condizione di riposo a basso consumo) e riattivato solo quando il sensore rileva un reale spostamento; successivamente, trascorso un intervallo di tempo durante il quale il sensore non rileva più alcun movimento, il gps si riporta nella condizione di stand-by. Questo intervallo è detto tempo di persistenza ed ha una durata di default pari a 3 minuti, impostabile mediante la stringa di programmazione seguente: Val7 nn (imposta il tempo di persistenza a nn minuti) Il sensore di movimento è normalmente inattivo, in quanto l impostazione iniziale prevede il gps acceso permanentemente; il sensore di movimento si attiva automaticamente mettendo il gps in stand-by. L attivazione del sensore è dunque legata in modo automatico allo stato del gps; in deroga a questo automatismo, il sensore può essere abilitato e disabilitato con i comandi on/off seguiti dalla lettera s, acronimo di sensore: ons (attiva il sensore di movimento) offs (disattiva il sensore di movimento) Datalogger A/D-GPS - 17 di

18 2.3. Modalità operative del gps Il ricevitore gps è normalmente impostato nella modalità di attività continua (default); in alternativa può essere messo in modalità di funzionamento a basso consumo (stand-by). La modalità operativa può essere variata mediante le stringhe di comando on/off seguite dalla lettera g, acronimo di gps: ong (attiva permanentemente il gps) offg (pone il gps in stand-by) I comandi on/off sono facili da ricordare e richiamano l idea di accensione e spegnimento; si tratta però di un uso improprio dei termini perché in realtà il gps è sempre acceso e non viene mai spento ma posto in una condizione di stand-by molto particolare detta di ibernazione. Quando il gps è in stand-by, gli ultimi dati satellitari ricevuti vengono ricordati in una memoria ram interna; quando il gps torna in piena attività, i dati in ram vengono utilizzati come base di partenza per riacquisire più velocemente il fix dei satelliti. Se un gps viene posto in stand-by, la validità dei dati in memoria decade col passare del tempo, perciò il tempo di riacquisizione dei satelliti aumenta quanto più è durato il periodo di stand-by. In pratica, il risparmio energetico che si ottiene spegnendo il gps, viene pagato in termini di velocità di risposta, perché la riaccensione del gps richiede un intervallo di acquisizione per riagganciare i satelliti, tanto maggiore quanto meno frequente è il refresh del dato gps. Quando il gps in stand-by ed il sensore di movimento rileva uno spostamento, il gps viene riattivato automaticamente, e rimane acceso finchè il datalogger è in movimento, sino allo scadere del tempo di persistenza. Se il gps è in stand-by ed un evento richiede l acquisizione della stringa nmea, il gps viene riattivato e rimesso in stand-by dopo l acquisizione della stringa nmea. Tale acquisizione non è immediata ma segue dopo un intervallo di tempo necessario al gps per riacquisire i satelliti dopo la riaccensione. La durata massima dell intervallo è definita mediante una variabile programmabile con la stringa: val6 nn (imposta il tempo di acquisizione satelliti a livello nn) Il parametro nn può assumere un valore numerico compreso tra 1 e 255, in cui ogni unità rappresenta uno step di mezzo secondo. Si ottiene così un tempo di attesa massimo variabile da mezzo secondo a poco oltre i due minuti, che comunque termina immediatamente prima della sua scadenza se nel frattempo viene ricevuta una stringa gps valida. Datalogger A/D-GPS - 18 di

19 2.4. Eventi di trigger Il datalogger memorizza i dati (gps + ingressi A/D) al verificarsi degli eventi seguenti: Variazione del livello logico di un ingresso digitale Lettura di un ingresso analogico ADC superiore ad una soglia programmata Evento programmato mediante l impostazione di un timer Ingresso o uscita da un area definita Nei paragrafi successivi, vengono descritte le modalità operative per l impostazione degli eventi di trigger Trigger mediante ingressi digitali Come anticipato, la variazione di un ingresso digitale attiva la memorizzazione del dato da parte del datalogger; la variazione viene rilevata su entrambi i fronti di commutazione dell ingresso (passaggio dallo stato alto allo stato basso e viceversa), ma è possibile impostare il fronte di intervento unico (passaggio solo dallo stato alto stato basso) mediante le impostazioni parametriche più avanti descritte. La memorizzazione del dato viene effettuata in modo numerico, ossia il livello logico alto è rappresentato dal valore 1, mentre il valore logico basso è rappresentato dal valore 0. Es. di stringa relativa agli A/D: $IN: DIG=1111 ADC 1=0001 2=0001 3=0001 *** A fini mnemonici, è possibile associare ad ogni ingresso 2 testi, uno per indicare lo stato alto e l altro per lo stato basso, eventualmente coincidenti, utilizzabili per dare un nome all ingresso e/o descriverne l uso. Un testo standard predefinito è impostato in fase di produzione e può essere riprogrammato e personalizzato con una stringa lunga sino a 16 caratteri mediante la stringa di comando composta dal testo fisso msg, seguito da una lettera che caratterizza l ingresso, da uno spazio separatore e dal testo da programmare racchiuso tra virgolette: msg# testo (per programmare il testo dei messaggi d allarme) # = A / B per i livelli basso / alto dell ingresso 1 # = C / D per i livelli basso / alto dell ingresso 2 # = E / F per i livelli basso / alto dell ingresso 3 # = G / H per i livelli basso / alto dell ingresso 4. La stringa viene utilizzata per comporre la risposta all interrogazione in? più avanti descritta. Datalogger A/D-GPS - 19 di

20 2.6. Impostazione dei timer L acquisizione del dato da storicizzare può essere programmata ad intervalli definiti e costanti mediante l attivazione di un timer, allo scadere del quale il dato viene scritto nella memoria SD. Questo timer, detto assoluto, viene impostato tramite il programma di connessione, inviando al datalogger la stringa di comando costituita dai caratteri seguenti: val1 nn (timer assoluto, effettua il log del dato ogni nn minuti/secondi) Ad es. impostando val1 60, il datalogger memorizzerà il dato ogni 60 minuti/secondi. Il valore numerico zero (val1 0) disabilita il timer. Nelle situazioni in cui il log del dato è di interesse solo se il mezzo si sta spostando, è possibile impostare un timer di movimento definendo sia la periodicità dell acquisizione del dato, sia una velocità di soglia superata la quale il movimento viene considerato significativo. Per impostare questa modalità di acquisizione, occorre parametrizzarne i valori di funzionamento inviando le stringhe seguenti: val2 nn (timer di movimento, fa il log del dato ogni nn minuti/secondi ) val3 mm ( solo se la velocità supera mm km/h) Es. impostando i valori val2 1 e val3 25, il modulo verifica se è stata superata la velocità di 25km/ora; se la verifica è positiva il dato viene memorizzato ogni minuto/secondo ed anche al termine del movimento, per rilevare il punto esatto di fine tragitto. La funzione può essere disattivata programmando il valore nullo (val2 0). Il valore nn dei timers viene considerato espresso in minuti (di default) o in secondi secondo la modalità scelta mediante le impostazioni parametriche descritte a fine capitolo. Se un timer è espresso in secondi ed il gps è posto in modalità di risparmio energetico, occorre considerare che la periodicità espressa dal timer può essere sensibilmente influenzata dal tempo riacquisizione del fix dei satelliti definito dal val6. Datalogger A/D-GPS - 20 di

21 2.7. Soglie analogiche Uno dei principali benefici derivanti dall uso dei convertitori adc è quello di poter monitorare una o più grandezze fisiche e scatenare l evento di log del dato se i valori rilevati superano un livello di soglia. Per poter operare in questa modalità, sono state definite le seguenti soglie d intervento: Soglia superiore = valore compreso tra 0 e 1023 (range dei convertitori adc) oltre il quale viene attivato il datalogger se la lettura del convertitore adc ne supera per eccesso il valore Soglia inferiore = valore compreso tra 0 e 1023 (range dei convertitori adc) al di sotto del quale viene attivato il datalogger se la lettura del convertitore adc ne supera per difetto il valore In genere delle due soglie, una rappresenta il valore critico da non superare, l altra rappresenta il valore di normalità. Al superamento di una soglia, la funzione sull ingresso specifico che ha rilevato l evento è inibita finchè il valore rilevato dal convertitore adc non supera la soglia opposta. Per tale ragione, le soglie non devono mai essere programmate ai valori estremi del range dei convertitori, altrimenti non è possibile effettuare il riarmo della funzione; i valori di soglia 0 e 1023 infatti vanno utilizzati per inibile la funzione. La soglia bassa deve essere inferiore alla soglia alta; le due soglie non devono essere coincidenti, inoltre è consigliabile che non siano troppo ravvicinate, in modo da prevenire memorizzazioni troppo frequentii se la variabile misurata oscilla intorno ai valori di soglia impostati. I livelli di soglia vengono impostati mediante la stringa seguente: liv# xxxx,yyyy (impostazione dei livelli di soglia sull ingresso adc #) dove # è l ingresso adc (# = 1, 2, 3) relativamente al quale si sta impostando l allarme analogico, mentre xxxx e yyyy sono i valori numerici delle soglie da programmare. Ad es. il messaggio liv2 450,600 imposta il livello di soglia basso al valore 450 ed il valore di soglia alto al valore 600, sull ingresso adc2. Se gli ingressi analogici non sono utilizzati e il numero di ingressi digitali richiesto è superiore agli ingressi digitali disponibili, il meccanismo delle soglie consente di utilizzare gli ingressi adc come ingressi digitali d allarme; in questo caso occorrerà programmare le soglie ad un valore intermedio tra i livelli basso e alto del segnale digitale d ingresso (che deve essere limitato a 3.3V). Datalogger A/D-GPS - 21 di

22 2.8. Storicizzazione georeferenziata: intrusioni, sconfinamenti Un interessante evento di trigger correlato alla localizzazione satellitare consente al datalogger di memorizzare il dato se il dispositivo in movimento entra o esce da un area definita. I casi applicativi tipici sono legati al monitoraggio dell allontanamento di un oggetto al di fuori di un perimetro consentito e/o all avvicinamento dello stesso ad una zona proibita. Il datalogger A/D GPS consente di definire 4 aree geografiche da monitorare; quando il localizzatore rileva una variazione di stato, intesa come ingresso o uscita da un area definita, effettua il log del dato (ingressi A/D + GPS) al momento dell evento. La definizione delle aree è semplice, specie se ci si avvale di un software cartografico: ogni area viene delimitata dalle coordinate dei due punti posti agli angoli opposti della stessa; ciò equivale a disegnare idealmente sulla mappa un trapezio, i cui lati sono allineati ai paralleli e meridiani intersecati dai punti stessi. Le coordinate devono essere espresse in formato gradi, minuti decimali. In figura un area di esempio individuata su google earth: i punti p1 e p2 sono evidenziati da un pallino rosso in basso a sx ed uno in alto a dx; dopo aver impostato il formato corretto dal menù strumenti/opzioni, posizionando il cursore del mouse su ogni punto, è possibile leggere le coordinate sul fondo della mappa (evidenziato in basso dall ellisse rossa). La programmazione delle aree viene effettuata mediante la stringa di comando seguente: area# LatP1,LonP1-LatP2,LonP2 (programmazione di un area di monitoraggio). Datalogger A/D-GPS - 22 di

23 I parametri sono così definiti: # è il numero dell area da programmare (1,2,3,4); lat/lon sono la latitudine e la longitudine dei punti p1 e p2. Le coordinate dei punti 1 e 2 sono separate dal carattere - ; latitudine e longitudine sono separati da una virgola e scritti senza alcun simbolo separatore. I gradi sono espressi mediante due decimali per la latitudine e tre decimali per la longitudine; l ultimo decimale non va considerato perché per questo tipo di funzione non serve avere una precisione definita al centimetro. In sintesi, il comando ha la forma seguente: area# xxyyzzz,xxxyyzzz-xxyyzzz,xxxyyzzz Se si utilizza Google Earth, è sufficiente copiare i dati riportati in basso, dopo essersi posizionati col cursore sui punti chiave; ad es., dati i punti P1 = N E e P2 = N E, la stringa da mandare per programmare l area3 è: area , , Questa sintassi serve sostanzialmente ad uniformare i dati inseriti al formato dei dati del gps, evitando al processore pericolose e laboriose interpretazioni. Un altro metodo per definire l area può essere adottato se è possibile recarsi fisicamente nei punti di confine dell area da delimitare; occorre in questo caso posizionarsi in due punti opposti ed acquisire il dato (ad es. variando lo stato di un ingresso digitale con un pulsante). La stringa di impostazione va composta utilizzando come LatP1 la latitudine più bassa dei due punti; come LonP1 la longitudine più bassa dei due punti; come LatP2 la latitudine più alta tra le latitudini dei due punti; come LonP2 la longitudine più alta tra le longitudini dei due punti. Se occorre riprogrammare un area, è sufficiente sovrascriverla con un nuovo dato; invece per cancellare definitivamente un area è possibile programmare un area impossibile, ad es. impostando il valore area# , , Il monitoraggio delle aree programmate non è attivo di default ma va abilitato; l utente può abilitare e disabilitare la funzione all occorrenza mediante le stringhe di comando seguenti: AreaY (monitoraggio area = yes) AreaN (monitoraggio area = no) E possibile leggere le aree programmate, mediante la richesta seguente: Area? (richiesta delle coordinate d area programmate). Alla ricezione dell interrogazione, il datalogger invia sulla schermata del programma di comunicazione (hyperterminal) le coordinate dei due punti che delimitano ognuna delle quattro aree programmabili e indica anche se le funzioni georeferenziate sono state abilitate o meno. Il monitoraggio d area viene eseguito solo quando il localizzatore è in movimento; se il gps è stato messo in stand-by, il sensore di movimento deve essere attivo, in modo da riattivare il localizzatore appena viene rilevato uno spostamento. La funzione di monitoraggio viene eseguita ciclicamente ogni 15 secondi, una frequenza abbastanza elevata da essere quasi real-time, ma non troppo per non sovracaricare le elaborazioni del pic. Datalogger A/D-GPS - 23 di

24 Al fine di ricordare il significato dell area programmata, è possibile associare un testo ad ognuna delle 4 aree impostabili; tale testo è preimpostato con un valore fisso (area 1, area 2 ) che può essere riprogrammato a piacere (es. Quartiere EUR, Provincia di Milano, Deposito merci ) mediante la stringa seguente: txta# testo (programmazione del testo dell area #, con #=1,2,3,4) La stringa va racchiusa tra virgolette; es. txta1 Quartiere EUR oppure txta2 Provincia di Milano. Per ottenere l elenco dei testi d area memorizzati, è possibile utilizzare il comando di interrogazione seguente: txta? (richiesta dei testi programmati associati alle aree ). La definizione di 4 aree di monitoraggio è utile non solo per delimitare 4 zone distinte, ma anche per approssimare meglio un area dalla forma irregolare, difficilmente rappresentabile mediante un unico trapezio, scomponendola in quattro sotto-aree. Un altra ragione che determina la definizione di più aree è determinata da questioni di omogeneità del dato, ossia i punti p1 e p2 devono appartenere allo stesso quadrante del globo terrestre, ossia avere entrambi latitudine N/S e longitudine E/W (cioè non è possibile ad es. definire un area con un punto xxx,n,yyy,e ed un punto zzz,s,wwww). Chi utilizza il dispositivo dalla Francia al Giappone può tranquillamente sorvolare queste considerazioni; se invece l area da monitorare incrocia il meridiano di Greenwich o l equatore, occorre definire aree distinte (ad es. una zona a sx ed una a dx del meridiano 0 o una zona al di sopra ed una al di sotto dell equatore). Datalogger A/D-GPS - 24 di

25 2.9. Interrogazione di verifica di stato Per controllare lo stato complessivo del datalogger tramite la porta usb, è possibile inviare il comando di interrogazione seguente: In? (per richiedere lo stato del datalogger) Il modulo interrogato comporrà ed invierà un messaggio di risposta, indicando: lo stato degli ingressi digitali la lettura dei convertitori adc lo stato delle uscite digitali lo stato di accensione/spegnimento del modulo gps l impostazione di abilitazione/disabilitazione del sensore di movimento Esempio di messaggio: IN: ingresso 1 alto, ingresso 2 basso, ingresso 3 alto, ingresso 4 alto adc1= 0010 adc2= 0950 adc3 =0001 OUT: uscita 1 = off, uscita 2 = off GPS = on, Sens = off Interrogazione di riepilogo valori I valori programmati con i comandi val# (val1, val2 ) possono essere interrogati per verifica mediante il comando seguente: val? (per interrogare e verificare i valori impostati) Oltre ai valori già descritti, ne sono riportati altri ereditati da versioni più complesse del dispositivo e/o che potranno essere implementati successivamente. Ad es. viene riportato anche il valore del timer di riavvio, sino ad ora non descritto, utilizzabile per programmare un riavvio automatico della scheda (spegnimento, reset, riavvio) e che potrebbe tornare utile in applicazioni future. Val1 nn (timer assoluto, effettua il log del dato ogni nn minuti/secondi) Val2 nn (timer di movimento, fa il log del dato ogni nn minuti/secondi ) Val3 mm ( solo se la velocità supera mm km/h) Val4 nn (riservato per sviluppi futuri, non usare) Val5 nn (programma il riavvio ciclico ogni nn minuti) Val6 nn (imposta il tempo di acquisizione a livello nn) Val7 nn (imposta il tempo di persistenza a nn minuti) Val8 nn (riservato per sviluppi futuri, non usare) Datalogger A/D-GPS - 25 di

26 2.11. Parametrizzazioni Per personalizzare l uso del datalogger A/D GPS è stata prevista la possibilità di variare le modalità di funzionamento del dispositivo mediante l uso di parametri binari indicati da un progressivo numerico: 1) Abilita il log della stringa gps (default) o disabilita il log della stringa gps (vengono memorizzati solo gli ingressi A/D, se abilitati) 2) Abilita il log degli ingressi A/D (default) o disabilita il log degli ingressi A/D (vengono memorizzate solo le stringhe nmea, se abilitate) 3) Timer assoluto programmato in minuti (default) o in secondi (m/s) 4) Timer di movimento programmato in minuti (default) o in secondi (m/s) 5) Non attivo 6) Non attivo 7) Non attivo 8) Gli ingressi digitali scatenano l evento di log del dato su entrambi i fronti di variazione (default) o solo su un fronte (di discesa) Per attivare/disattivare i parametri descritti, occorre inviare la stringa costituita dal testo: par# (per attivare/disattivare l impostazione #) dove # è il numero del parametro da variare, come da elenco precedente. Il comando è bistabile cioè lo stesso comando commuta il parametro, se è attivo lo disattiva, se è inattivo lo attiva. Ad es. inviando la stringa par1, viene disabilitato il log della stringa gps, inviando nuovamente par1 viene riabilitato il log del messaggio gps. Nota: la disabilitazione del log nmea comporta solo la mancata scrittura del dato sulla memoria SD e non ha impatto sull acquisizione del dato gps che viene gestito comunque (perciò l'utente potrebbe impostare ad es. una funzione georeferenziata per scatenare il log degli ingressi A/D); analogamente, disabilitando il log degli ingressi A/D, continuano ad essere operative le funzioni legate agli ingressi (i trigger scatenati dal superamento delle soglie analogiche e le commutazioni di stato di un ingresso digitale), ma il valore degli A/D non viene scritto nella memoria SD. Lo stato delle impostazioni attive può essere richiesto mediante la stringa di interrogazione seguente: par? (interrogazione di riepilogo dei parametri) Datalogger A/D-GPS - 26 di