Progetto operativo MALATRA - Unità di ricerca GLACIES Bando per la creazione e sviluppo di Unità di Ricerca - Programmi operativi FESR competitività regionale 2007/2013 e FSE occupazione 2007/2013 (DGR 1998/2011). CUP: B 75 G 12000 28 0006 1 REPORT SEMESTRALE Premessa Il progetto operativo MALATRÀ - Monitoraggio dell'ambiente glaciale mediante Tecnologia Rfid - si inserisce nel quadro più ampio del programma dell Unità di Ricerca (UdR) GLACIES - GLaciers And Cryosphere International Expert Study group, che mira a creare i presupposti per progettare e sviluppare strumenti innovativi per supportare il monitoraggio dell ambiente di alta montagna. Lo sviluppo del progetto operativo, avviato in data 22 agosto 2012, corrisponde con i primi due anni di attività dell UdR, finanziato dal Bando per la creazione e sviluppo di Unità di Ricerca - Programmi operativi FESR competitività regionale 2007/2013 e FSE occupazione 2007/2013 (DGR 1998/2011). Come previsto nello studio di fattibilità, al fine di monitorare e di dare evidenza dello stato di avanzamento delle attività progettuali a tutti i soggetti coinvolti nell Unità di Ricerca, è prevista la redazione di relazioni semestrali da parte di Fondazione Montagna sicura ed Envisens Technologies srl, partner finanziati; tali relazioni saranno pubblicate online nella sezione dedicata sul sito web di Fondazione. Attività realizzate È stato compiuto un importante lavoro di studio ed aggiornamento bibliografico che ha riguardato non solo le proprietà fisiche del ghiaccio, ma anche i numerosi progetti di reti di sensori ambientali che hanno preso corpo negli ultimi anni, in particolar modo è stata analizzata la modalità di trasmissione delle onde radio attraverso materiali come il ghiaccio e la neve ai fini dell applicazione della tecnologia RFID per il progetto MALATRÀ. La scelta dei parametri ambientali da misurare e la definizione delle specifiche del sistema da sviluppare sono state eseguite a partire dall analisi bibliografica condotta e mediante confronto con i colleghi glaciologi sulle modalità attuali di misura e sulle esigenze per ottimizzare le operazioni. Le campagne di test saranno programmate durante la primavera e saranno realizzate a partire dall'inizio estate. È stato elaborato un project charter del progetto che definisce obiettivi, contenuti e modalità di attuazione del progetto operativo. Tale documento si differenzia dallo studio di fattibilità in quanto trattasi di un documento in continuo aggiornamento, utile al monitoraggio dello stato di avanzamento delle attività. Al fine di informare gli altri soggetti dell UdR sullo stato di avanzamento delle attività condotte finora congiuntamente da FondMS ed EST, il presente report sarà inviato agli altri partner per poter
ricevere input utili al proseguo della ricerca. Una riunione plenaria dell Unità di ricerca sarà organizzata quando le attività saranno in stato maggiormente avanzato. Ridefinizione delle attività e del timing Le attività, che nello studio di fattibilità erano previste aver inizio a settembre 2012, hanno subito una ridefinizione di timing a causa del ritardo dell'avvio del progetto rispetto a quanto inizialmente pianificato, per il prolungarsi delle procedure di valutazione e le richieste di rimodulazione della proposta inizialmente depositata. Inoltre si segnala che ulteriori difficoltà sono dovute al perdurare dell assenza di un borsista FSE. A seguito della rinuncia dei candidati ritenuti idonei in fase di valutazione (prima valutazione eseguita congiuntamente all esame dello studio di fattibilità come previsto dal bando; seconda valutazione attivata a causa della rinuncia del primo candidato), si sta verificando quale procedura seguire al fine di sopperire al più presto a tale mancanza; si tratta infatti di una risorsa imprescindibile per la buona riuscita del progetto, dedicata allo sviluppo elettronico dei dispositivi. Per questi motivi è stato necessario ridefinire il planning delle attività; viene di seguito riportato il piano aggiornato delle attività. Coordinamento+scientifico Analisi+bibliografica;+raccolta+dati+relativi+alle+proprietà+fisiche+del+ ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+competenze+sui+componenti+ elettronici Scelta+dei+siti+di+monitoraggio Definizione+delle+specifiche+del+sistema:+frequenze+sensori+e+ parametri+da+misurare Sviluppo+dei+sensori Campagna+di+test+in+ambiente+glaciale+e+riprogettazione Analisi+dei+dati+raccolti Disseminazione+dei+risultati Automonitoraggio 2012 9 10 11 12 1 2 3 4 5 Coordinamento+scientifico Analisi+bibliografica;+raccolta+dati+relativi+alle+proprietà+fisiche+del+ ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+competenze+sui+componenti+ elettronici Scelta+dei+siti+di+monitoraggio Definizione+delle+specifiche+del+sistema:+frequenze+sensori+e+ parametri+da+misurare Sviluppo+dei+sensori Campagna+di+test+in+ambiente+glaciale+e+riprogettazione Analisi+dei+dati+raccolti Disseminazione+dei+risultati Automonitoraggio 2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Coordinamento+scientifico Analisi+bibliografica;+raccolta+dati+relativi+alle+proprietà+fisiche+del+ ghiaccio;+acquisizione+di+maggiori+competenze+sui+componenti+ elettronici Scelta+dei+siti+di+monitoraggio Definizione+delle+specifiche+del+sistema:+frequenze+sensori+e+ parametri+da+misurare Sviluppo+dei+sensori Campagna+di+test+in+ambiente+glaciale+e+riprogettazione Analisi+dei+dati+raccolti Disseminazione+dei+risultati Automonitoraggio 2014 1 2 3 4 5 6 7 8
Sistema di misura su tecnologia RFID Il sistema di misura basato sulla tecnologia RFID che si intende sviluppare nel progetto MALATRÀ è composto principalmente da: - tag: placche di piccole dimensioni e a basso costo (per cui ne è accettabile la perdita di funzionalità o lo smarrimento), dislocate in campo. Si intendono realizzare dei tag che avranno la caratteristica di essere impermeabili, resistenti agli agenti atmosferici e alle basse temperature. Particolare attenzione sarà rivolta alla riduzione dei consumi al fine di aumentare la durata delle batterie; - sensori: per la misura di diverse grandezze fisiche del ghiaccio. Si identificheranno vari sensori di tipo digitale ed analogico, con tempo di start- up molto breve e che permettono di attuare un attento monitoraggio dei consumi. Il tempo di start- up di un sensore permette di spegnere il sensore ed accenderlo solamente per pochi istanti durante l'effettuazione della misura; - reader: dispositivo portatile manovrato da un operatore per l individuazione dei tag tramite tecnologia RFID. Le reti di sensori ambientali hanno il vantaggio di essere economiche, ragionevolmente semplici da configurare e da installare. È tuttavia richiesto un impiego di risorse da spendere in obiettivi strategici come la miniaturizzazione dell elettronica, la progettazione di sistemi di alimentazione a bassa potenza e la realizzazione di un apparato di trasmissione radio ad hoc, messo a punto in funzione del materiale in cui si opera. Scenario di installazione L obiettivo che si intende raggiungere è la messa a punto di strumenti in grado di misurare con continuità e con sufficiente distribuzione spaziale determinate grandezze fisiche del manto nevoso e del ghiaccio. Le grandezze fondamentali nel monitoraggio in oggetto sono: la pressione della neve, che in abbinamento a misure manuali di profondità consente di ricavarne il valore della densità, importante nel calcolo del bilancio di massa (BdM) di un ghiacciaio; la pressione del ghiaccio per acquisire conoscenze più approfondite circa le sue caratteristiche; la temperatura del ghiaccio per classificare un ghiacciaio in base al regime termico, se a base calda o temperato con presenza di acqua all interfaccia substrato/ghiaccio o se a base fredda o polare con assenza di acqua all interfaccia substrato/ghiaccio; l oscillazione lungo l asse verticale misurata all interno di un foro nel ghiaccio per stabilire il tipo di movimento a cui è soggetto un ghiacciaio nel corso del tempo. Dalle analisi condotte dall Unità di Ricerca sull impiego operativo dei sensori RFID nelle proprie campagne di monitoraggio dei ghiacciai, si è identificato uno scenario tipo di riferimento per tali sensori che possono comportare modalità operative differenti. Un ghiacciaio è costituito da una massa di ghiaccio derivata dalla trasformazione per compattazione delle nevi in firn (neve che ha resistito senza andare incontro a fusione almeno per un anno idrologico) e quindi in ghiaccio. Per compattazione si intende il seppellimento e la cementazione delle acque di fusione, durante la quale i cristalli di neve, che hanno un contenuto in aria superiore al 90%, si ricristallizzano in cristalli di ghiaccio il cui contenuto in aria, sotto forma di bolle, è inferiore al 20%. La formazione di un ghiacciaio è possibile ad altitudini o latitudini elevate e si completa quando la massa di ghiaccio, sotto la pressione del suo peso, inizia a spostarsi verso quote più basse e dalla zona di alimentazione scende verso valle. La massa del ghiaccio si muove per l effetto di deformazioni interne, deformazioni all interfaccias ghiacciaio/bedrock e per slittamento basale; non tutte le porzioni del ghiacciaio si muovono con la stessa velocità, in relazione ai diversi parametri di morfologia del bedrock e temperatura del ghiaccio. Il movimento può essere facilitato anche dalla presenza di acqua sul fondo, punto in cui la temperatura è prossima a quella di fusione. Tale presenza si verifica nei ghiacciai temperati; in quelli freddi,
al contrario, le acque di fusione sono quasi completamente assenti per cui il movimento della massa di ghiaccio è dovuto essenzialmente alle deformazioni che si verificano al suo interno, ma tale comportamento non è di interesse per lo scenario di riferimento relativo ai ghiacciai alpini 30. Volendo studiare proprietà fisiche dei ghiacciai e la loro evoluzione (e velocità) è necessario quindi, in prima analisi, identificare due zone del ghiacciaio con comportamento assai diverso: - la zona di ablazione (per ablazione di intende la perdita di massa del ghiacciaio, che alle nostre latitudini avviene principalmente per fusione di neve e ghiaccio dalla superficie, in relazione alla radiazione solare); - la zona di accumulo (per accumulo si intende qualsiasi processo che, in un ghiacciaio, contribuisce ad aumentare la massa di neve e ghiaccio). FIGURA 1. ZONE DEL GHIACCIAIO Durante lo spostamento, una parte di ghiaccio si perde per ablazione (nella cosiddetta zona di ablazione). Le successive precipitazioni nevose rendono possibili nuovi accumuli (nella cosiddetta zona di accumulo). Sulla base della differenza tra accumulo e ablazione, che dipendono dalla temperatura, dall'umidità dell'aria, dai venti e dall'inclinazione dei raggi solari, si verificano le seguenti situazioni: - se la differenza tra l'ablazione e l'accumulo è uguale a zero, il ghiacciaio è in equilibrio; - se l'accumulo prevale sull'ablazione, il ghiacciaio si espande; - se l'ablazione prevale sull'accumulo, il ghiacciaio si ritira. I sensori con tecnologia RFID, oggetto del progetto MALATRÀ potranno essere installati sia nella zona di ablazione che in quella di accumulo. Installazione dei sensori RFID nella zona di accumulo In considerazione del continuo accrescimento del ghiacciaio, in questa zona si può prevedere l installazione dei sensori mediante escavazione dello strato di nevato e seppellimento dei sensori stessi al di sotto di questo primo strato. Nel tempo il sensore si sposterà in pianta e verrà comunque sempre ricoperto da nuova neve che andrà ad accrescere lo strato di neve sopra di esso. Il personale di FMS durante le campagne glaciologiche esegue delle trincee per eseguire una stratigrafia del manto nevoso al fine di definirne l altezza e la densità dei vari strati. FIGURA 2. INSTALLAZIONE DEI SENSORI RFID NELLA ZONA DI ACCUMULO Il vantaggio di tale tipo di installazione risiede nell assenza di vincoli particolari sulla forma e dimensione dei tag RFID. In tale modo si può scegliere la dislocazione dei sensori ed il posizionamento dell antenna nel modo ottimale. Lo svantaggio è dovuto al lungo tempo necessario alla realizzazione del foro per l installazione del sensore. Indicativamente se pensiamo di trovare dai 3 agli 8 metri di neve tale pratica diventa del tutto
impraticabile. Con un tempo di realizzazione di una buca che varia da 20 minuti a 90 minuti: volendo installare almeno 5 sensori vorrebbe dire impiegare oltre 7 ore. Installazione dei sensori RFID nella zona di ablazione In tale zona la neve che si può trovare in primavera scompare totalmente durante l estate rendendo visibile il ghiacciaio sottostante. Per tale motivo sarebbe auspicabile riuscire a installare il sensore RFID direttamente nel ghiaccio in modo da poterlo seguire per un tempo maggiore. Una soluzione a tale problema proviene da uno strumento utilizzato nelle campagne glaciologiche dal personale di FMS per l installazione di paline ablatometriche: una sonda a vapore. Tale strumento permette di eseguire dei fori nella neve e nel ghiaccio del diametro di 5,5 cm e della profondità massima di 12 metri. Un ultima opportunità di installazione risiede nell impiego delle competenze di un gruppo di speleoglaciologi allo scopo di posizionare i sensori in corrispondenza di crepacci che normalmente nella zona di ablazione risultano di più agevole accesso. FIGURA 3. INSTALLAZIONE DEI SENSORI RFID NELLA ZONA DI ABLAZIONE Il vantaggio di tale tipo di installazione risiede nell utilizzo di uno strumento che richiede da un minimo di 30 minuti fino ad un ora per la realizzazione di ogni foro e la cui velocità dipende dalla compattezza dei vari strati senza la richiesta di accorgimenti aggiuntivi. In tale caso, sempre nell ipotesi di voler installare fino a 5 sensori nella medesima zona, il tempo si ridurrebbe tra le 3 e le 5 ore. Lo svantaggio di tale metodologia di installazione risiede nelle specifiche stringenti per la realizzazione del sensore. In tale scenario si potrebbero costruire dei tag con il diametro massimo di 55 mm (a meno che non si faccia realizzare un ugello dal diametro maggiore per la sonda a vapore, ma ciò comporterebbe maggiori tempi di perforazione) e con uno sviluppo in lunghezza. Ricerca bibliografica e stato dell arte nel monitoraggio di ghiacciai E stata eseguita una ricerca bibliografica al fine di stabilire lo stato dell arte delle reti WSN (Wireless Sensor Network) e RFID (Radio Frequency IDentification) per il monitoraggio dei ghiacciai 1. Alla luce della complessità dell argomento, non tutta l analisi riportata in seguito è utile per stabilire le specifiche della rete WSN da realizzare, ma viene fornita una buona panoramica dello stato dell arte per il monitoraggio dei ghiacciai 18. Composizione di una rete WSN Una rete di sensori wireless (WSN) è una rete costituita da un numero variabile di nodi autonomi, distribuiti nello spazio, che cooperano tra di loro per monitorare delle variabili di interesse. I nodi con a bordo i sensori rilevano i dati di interesse che vengono trasmessi alla stazione base (reader). I nodi wireless sono equipaggiati con: trasmettitore radio; microcontrollore; sensori di misura; alimentazione; un reader per interrogare i nodi. Frequenza di funzionamento dei nodi della rete WSN Per quanto riguarda la rete WSN il progetto GlacsWeb (http://glacsweb.org/) monopolizza quasi tutta la letteratura scientifica in merito e costituisce la base per sviluppi futuri 13, 14, 15, 16, 17, 19, 20.
Analizzandolo è emerso che la frequenza da utilizzare è intorno ai 300 MHz. Frequenze utilizzate e funzionanti sono sia 315 MHz, sia 173 MHz che presenta minori attenuazioni, anche se il suo utilizzo in una scheda elettronica realizzata per la rete in questione risulta più delicato 4, 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 (N a ) possono essere trovati utilizzando la formula seguente 7, 21, 29 : dove L a è la lunghezza di attenuazione nel ghiaccio pari a: In base al tipo di acqua da cui è costituito il ghiaccio e considerando di avere una conducibilità nell intervallo che varia da 5.5 μs/m per acqua purissima a 5000 μs/m per acqua potabile (la variazione è dovuta alla composizione chimica del ghiaccio), si ha un attenuazione che varia da 2.28 db/km a 4560 db/km. Un attenuazione di 25 db in 100 m, ossia di 250 db/km, si ottiene assumendo che il ghiacciaio abbia conducibilità pari a 275 μs/m: tale valore è ammissibile. L attenuazione calcolata con tale formula, così come quella indicata nel progetto GlacsWeb deve essere considerata con attenzione in quanto è influenzata da vari parametri (temperatura, frequenza, composizione del ghiaccio). Risulta pertanto molto difficile stabilire a priori senza misure pratiche ed in modo preciso l attenuazione che si ha in un particolare ghiaccio potendo inoltre variare anche in funzione del tempo. Nell articolo Dielectric properties of ice and snow invece, anche se non è molto recente, essendo stato pubblicato nel 1965, viene già indicato come di grande interesse il range di frequenze tra 30 e 300 MHz, che consente la propagazione di radiofrequenze all interno di grandi masse di ghiaccio e acqua 6. Si adotteranno specifici accorgimenti elettronici/firmware per ridurre i consumi, accorgimenti meccanici per evitare danneggiamenti al nodo della rete WSN e nella scelta delle antenne che deve essere effettuata per evitare dimensioni eccessive delle stesse; si considereranno anche le antenne elicoidali e non solo i dipoli classici, come indicato dalla letteratura relativa al progetto GlacsWeb. Determinazione della posizione dei nodi della rete WSN Al fine di determinare la posizione dei nodi collocati all interno del ghiacciaio, ciò che crea più problemi è l'interfaccia tra lo strato di ghiaccio- neve e quello tra aria- neve o aria- ghiaccio dove si perdono anche più di 10 db come dimostrato nella seguente tabella, tratta dal capitolo Radar systems for glaciology di Zirizzotti et. al. del libro Radar Technology 1.
Tabella 2. Perdite per trasmissione e riflessione nelle interfacce aria/ghiaccio/acqua Si ricorda che per due materiali dielettrici differenti, che presentano pertanto impedenze diverse, nella zona di contatto tra i due si crea una discontinuità che causa una parziale riflessione dell onda incidente. Tale riflessione è determinata dal coefficiente di riflessione Г calcolato come segue: Γ = Z! Z! Z! + Z! = ε! ε! ε! + ε! Dove Z1 e Z2 sono le impedenze dei due materiali e ε1 e ε2 sono le rispettive costanti dielettriche. Per quanto riguarda acqua, ghiaccio e aria le costanti dielettriche sono le seguenti: ε_ water =81 ε_ ice =3.2 ε_ air =1 Il progetto GlacsWeb prevede che il transceiver che dialoga con i nodi sia posizionato direttamente nella neve 15. 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 localizzazione 23 si dovrebbe determinare, con una certa approssimazione, la posizione dei nodi WSN precedentemente collocati nel ghiaccio. Altri tipi di reti per monitoraggio di ghiacciai A supporto del presente progetto MALATRÀ è da ricordare lo sviluppo della rete WSN eseguita nel 2010 che ha permesso il monitoraggio della velocità del seracco delle Grandes Jorasses. Tale rete basata su tecnologia GPS non consente di ottenere parametri caratteristici del ghiacciaio, ma solamente di tracciare i loro spostamenti. L esperienza maturata nel posizionamento GPS verrà ora implementata nel reader per la localizzazione del punto di misura 11, 12. Altre tecnologie per il monitoraggio dei ghiacciai Gran parte della rimanente letteratura scientifica sullo studio dei ghiacciai, è relativa a GPR (Ground Penetrating Radar) e RES (Radio Echo Sounding) per stratigrafia o per studiare la composizione del ghiaccio. Qui le frequenze usate sono tutte inferiori ai 900 MHz, a ulteriore conferma di quanto detto in precedenza, e variano in base all'applicazione. La tecnologia GPR per il caso in esame però non consente di determinare la posizione dei nodi RFID all interno del ghiaccio in base a quanto andiamo ora ad esaminare. La capsula contenente il nodo RFID è posta in foro verticalmente e la sua forma è di tipo cilindrico chiusa da due calotte sferiche (maggiore resistenza alla pressione del ghiaccio). Per cui la superficie riflettente ad un onda incidente, indicata come RCS (Radar Cross Section, σ) viene così determinata: σ = πr 2 =0.0024m 2 f= 315 MHz λ=0,9524 m
Ipotizzando una distanza D di circa 10 m, si avrebbe che D è molto maggiore di λ (D λ), ma la lunghezza d onda è molto maggiore del raggio delle capsule (λ r ), per cui ci si trova nella situazione di dover applicare il fattore di riduzione di Rayleigh per la RCS. Figura 4 Radar Cross Section di una sfera Nel caso in esame ci troviamo con 2πr 2 /λ=0.005 0.1; calcolando ora RCS con il fattore di correzione, trovandoci nella regione di Rayleigh otteniamo una σ=2e- 5 m 2, 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 P r ~ 1e- 9 W, ossia praticamente irrilevabile 2, 8, 22, 25, 27, 28. Prototipi di tag RFID Viene presentata un idea di realizzazione dei prototipi di tag RFID da utilizzare ed integrare in una rete WSN (Wireless Sensor Network) e in seguito definite le specifiche 5. Ipotesi di realizzazione di sensore RFID La figura seguente presenta la realizzazione del nodo RFID. Si intende infatti realizzare una capsula di materiale trasparente alle radiofrequenze che possa essere inserita (possibilmente in posizione verticale) nel foro eseguito con sonda a vapore.
FIGURA 5. Ipotesi di capsula con tag RFID E possibile individuare: - una parte sovrastante (esagonale in figura) che ospita l apparato di trasmissione. Lo spazio a disposizione in sezione (diametro di circa 50mm) non permette di realizzare antenne ad alto guadagno per la fascia di frequenze utilizzate; - una parte intermedia che ospita la scheda (PCB: Printed Wiring Board) con tutta l elettronica di controllo del tag RFID, le interfacce con i sensori e lo stadio di alimentazione; - una parte terminale che ospita le batterie che garantiscono l alimentazione al sistema. Dato il peso delle batterie è conveniente il posizionamento delle stesse nella parte terminale in modo da abbassare il baricentro della capsula ed impedire sbilanciamenti della stessa che possano imporre un movimento di rotazione o inclinazione a tutta l involucro; inoltre una capsula appesantita sul fondo permetterebbe un suo più agevole inserimento in fori praticati nel ghiaccio, qualora dovessero verificarsi fenomeni di galleggiamento dovuti alla permanenza di acqua liquida in seguito alla fusione con sonda a vapore. Specifiche preliminari tag RFID Le tabelle seguenti rappresentano le specifiche che sono state individuate per i tag RFID e per la capsula che costituiranno i nodi della rete WSN, insieme alla scelta di alcuni modelli di sensori necessari per il monitoraggio dei ghiacciai. È da notare che alcune specifiche sono ancora da definire e lo saranno in corso d opera. Ambiente operativo Range di temperature Temperature neve ghiaccio Massima profondità di installazione dei sensori Dimensione fori Pressione massima del ghiaccio Tabella 3. Specifiche ambiente operativo - 25 C a +20 C in aria - 10 C a +1 C 20 metri 50 mm 200 kpa Frequenza Potenza in uscita Antenna Wake- up ricevitore Protocollo Comunicazioni radio 315 MHz 100 mw Omnidirezionale con tipologia da definire Wake on radio Custom/Ad- hoc Tabella 4. Specifiche di comunicazione radio tag RFID
Tecniche di localizzazione nodi WSN GPR NO Tempo di volo tra nodi NO RSSI (Received Signal Strength Indicator) based SI Tabella 5. Definizione delle tecniche di localizzazione dei nodi WSN Modello Numero di batterie Tipologia batterie Tensione nominale Alimentazione a batteria/consumi VARTA 1 LiSOCl 2 3,6 V Scheda tecnica batteria Varta Tabella 6. Alimentazione e consumi Temperatura Orientamento /inclinazione Pressione Sensoristica Sensore analogico su scheda con risoluzione di 0.1 C Sensore digitale di accelerazione MODELLO: Analog Devices 3 ADXL354 REF: http://www.analog.com/static/imported- files/data_sheets/adxl345.pdf Sensore di pressione su scheda MODELLO: Honeywell Silicon Pressure 9 SSCDANT030PG2A3 REF: http://sensing.honeywell.com/honeywell- sensing- ssc- digital- silicon- pressure- sensors- product- sheet- 008213-2- en.pdf Tabella 7. Sensoristica da integrare
Microcontrollore MODELLO: Texas Instrument CC430F5135 REF: http://www.ti.com/product/cc430f5135 Tabella 8. Microcontrollore Forma involucro Materiale involucro Dimensione PCB Caratteristiche meccaniche capsula- contenitore Cilindrica Materiale plastico resistente alle alte pressione e impermeabile 40x100 mm Schema e dimensionamento dell'involucro Tabella 9. Caratteristiche meccaniche e materiale della capsula contenitore Bibliografia 1. Achille Zirizzotti, Stefano Urbini, Lili Cafarella and James A.Baskaradas (2010). Radar Systems for Glaciology, RADAR TECHNOLOGY, Guy Kouemou (Ed.), ISBN: 978-953- 307-029- 2, InTech, DOI: 10.5772/7179. 2. Achim Heilig, Martin Schneebeli, Olaf Eisen, Upward- looking ground- penetrating radar for monitoring snowpack stratigraphy, COLD REGIONS SCIENCE AND TECHNOLOGY, Volume 59, Issues 2 3, November 2009, Pages 152-162, 10.1016/j.coldregions.2009.07.008. 3. Analog Devices, http://www.analog.com. 4. Aquartis, Aquartis Radio Frequency Identification Systems, www.aquartis.ca (2013-02- 21). 5. EnviSens Technologies. Sistema di monitoraggio di un ambiente glaciale mediante tecnologia RFID: mappatura tecnologica (2013). 6. Evans, S. Dielectric properties of ice and snow- A review., (1965), J. GLACIOL., vol. 5, p. 773-792 7. Fujita, S., Matsuoka, T., Ishida, T., Matsuoka, K., and Mae, S., A summary of the complex dielectric permittivity of ice in the megahertz range and its applications for radar sounding of polar ice sheets, in Hondoh, T. (Ed.): PHYSICS OF ICE CORE RECORDS (Hokkaido University Press, 2000), pp. 185-212. 8. Hart, J.K., Rose, K.C., Martinez, K and Ong, R (2009) Subglacial clast behaviour and its implication for till fabric development: new results derived from wireless subglacial probe experiments. QUATERNARY SCIENCE REVIEWS, 28, 597-607.
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