Sistema Integrato per la Sicurezza dell’Ambiente

Monitoraggio nel tempo della presenza di inquinanti che rientrano nella categoria degli idrocarburi

Misurazione degli inquinanti organici persistenti (POPs) nella loro fase gassosa

Sistema SISA

Il sistema SISA è composto da tre principali sottosistemi:

  • Dispositivo di Misura (DM) per l’effettuazione delle misure e l’invio dei risultati al Centro Raccolta Dati e Gateway collegato via wireless RF.
  • Centro Raccolta Dati e Gateway (CRDG) per la ricezione dei risultati delle misure effettuate dai DM collegati via wireless RF, la memorizzazione degli stessi su un supporto fisico non volatile ed il loro invio al Centro di Monitoraggio e Controllo collegato via GPRS.
  • Centro di Monitoraggio e Controllo (CMC) per la configurazione dell’intero sistema, la raccolta dei parametri misurati,  ’interpretazione degli stessi e la visualizzazione dei parametri sia misurati che calcolati.

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La comunicazione tra nodi avviene attraverso interfacce wireless per ottimizzare i costi, massimizzare la flessibilità del sistema e ridurre l’impatto ambientale.
La comunicazione tra DM e CDRG è basata sullo standard di comunicazione wireless ZigBee che permette di minimizzare I consumi energetici ed ottimizzare la dimensione e i costi delle batterie.
La comunicazione tra CDRG e CMC è basata sullo standard GPRS che permette l’accesso remoto.

ZigBee (www.zigbee.org) è uno standard definito dalla ZigBee Alliance per la comunicazione wireless low-power tra dispositivi. ZigBee permette la comunicazione tra nodi a brevi distanze (range di trasmisione dei nodi nell’ordine delle decine di metri outdoor), a basso data rate (fino a 256 kbps) e a basso consumo (rendendo possibile l alimentazione dei nodi con batterie).

Unità sensore

L’Unità Sensore (US) è costituita da:
•    Sonda da interrare.
•    Sistema elettronico per  il controllo/campionamento dei segnali di interesse.

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La sonda da interrare è composta da:
•    Parte pneumatica, capace di prelevare un campione dello spazio di testa della camera interrata e convogliarlo in modo opportuno verso la camera di misura (Naso Elettronico – NE) dove sono alloggiati una serie di sensori chimici.
•    Blocco “sensori interrati” per la rilevazione di pH, temperatura e umidità.

La parte pneumatica consta principalmente di tre elettrovalvole (V1, V2 e V3) e di una pompa per gas (P1).

L’unità di misura Gas (Naso Elettronico – NE) è dotata di:
•    n° 2 sensori sperimentali (SIS1 e SIS2) basati su microbilance di quarzo,  atti a misurare, in tempo reale e con una certa frequenza, il valore dell’inquinante risultato dell’analisi del terreno su cui verrà fatta la sperimentazione.
•    n° 2  sensori commerciali di composti organici volatili (VOC) (SIC1 e SIC2), uno elettrochimico e l’altro metal oxide, quest’ultimo necessita di riscaldatore (R1).
•    n° sensori atti a misurare il valore della temperatura e dell’umidità all’interno del Naso Elettronico (TNE, RHNE)

L’Area #1 serve ad accumulare i gas emessi dal terreno, la sua dimensione sarà calcolata sperimentalmente, tenendo conto delle caratteristiche fisiche del terreno stesso.

La copertura superiore di detta Area sarà dotata, oltre che del foro per il passaggio dei cavetti dei sensori pHT, TT e RHT, anche quello per il passaggio del tubicino che consente il prelievo dell’aria da misurare; entrambi i fori dovranno essere dotati di passa cavi a tenuta stagna in modo tale da non consentire il passaggio dell’eventuale acqua dall’Area #1 a quella soprastante.

In Area #1 sarà presente anche il Sensore di Allagamento (SA) che segnalerà la presenza di acqua e che quindi consentirà la chiusura V2 in modo da impedire il flusso dell’acqua stessa lungo il tubicino.

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L’effettuazione della misura consiste nell’esecuzione in sequenza ed in automatico dei seguenti passi:
•    La misura inizia solo dopo aver verificato l’assenza di acqua nel compartimento di aspirazione dell’aria del suolo (o per lo meno di non allagamento di tale comparto), onde evitare l’aspirazione dell’acqua anziché dell’aria; la situazione di allagamento sarà costantemente tenuta sotto controllo per tutta la durata della misura e qualora si verificasse, si procederà immediatamente alla chiusura di V2, al termine della misura ed all’invio di una opportuna segnalazione al CMC.
•    In condizioni di riposo V1 e V2 sono chiuse in modo tale da evitare di sporcare inutilmente i filtri disposti a valle delle due valvole, V3 è invece nella posizione in cui viene abilitato il passaggio dell’aria ambiente nel Naso Elettronico NE;
•    Apertura della valvola V1 e attivazione della pompa aspirante P1 per un tempo T1 al fine di eliminare le impurità eventualmente presenti nella camera sopra indicata (l’aria atmosferica verrà filtrata per eliminare l’eventuale particolato presente (trasportato dal vento) (F1) e  per abbattere il suo tasso di umidità, tramite una cartuccia ad adsorbimento igroscopico (C1), condizioni che andrebbero ad interferire con le misurazioni tramite i sensori interni a NE.
•    In parallelo alla pulizia sopra descritta, misurazione dei parametri del suolo (pHT, TT e RHT).
•    Al termine della pulizia, misurazione dei sensori idrocarburi inseriti nel Naso Elettronico, sia quelli sperimentali che quelli commerciali, (SIS1, SIS2, SIC1 e SIC2) e dei sensori TNE e RHT.
•    Chiusura della valvola V1, apertura della valvola V2 e commutazione della valvola V3 sulla posizione “aria terreno”; come per l’aria ambiente, l’aria del terreno verrà opportunamente filtrata tramite F2 e C2. Trascorso un tempo T2, rilevato sperimentalmente, potrà definirsi concluso questo passo; lettura dei valori misurati dai quattro sensori idrocarburi sopra citati.
•    Chiusura valvola V2, commutazione della valvola V3 su posizione “Aria ambiente”
•    Pulizia finale della camera di misura: apertura della  valvola V1 per un tempo T3, la pompa aspirante continua a rimanere attiva al fine di eliminare le impurità eventualmente presenti nella camera sopra indicata; al termine del processo di pulizia viene inviato il comando di fermo pompa e chiusa la valvola V1 in modo tale da mettere il Naso elettronico (NE) a riposo con chiusura di tutte le connessioni spaziali con l’ambiente esterno, onde salvaguardare l’US il più a lungo possibile e ridurre le manutenzioni e quindi i costi di gestione.

Alimentazione

L’unità di alimentazione è costituita da un circuito che permette di alimentare la strumentazione elettronica attraverso un apposito pannello fotovoltaico, opportunamente dimensionato, e un gruppo di batterie di tipo Pb gel.
Le tensioni d’uscita dell’unità di alimentazione, nell’intervallo 3.3V-12V, permette di alimentare i componenti della sonda.

Componenti elettroniche

La Scheda Zigbee utilizza modulo ZigBee e include, oltre alla porta seriale, due LED per la visualizzazione dello stato del dispositivo e della rete, due pulsanti per reset e attivazione esterna e una memoria.

Centro Raccolta Dati e Gateway

Il Centro di Raccolta Dati e Gateway (CDRG) è una stazione che opera come Coordinatore della rete ZigBee e come Gateway verso la rete Internet per le comunicazioni dal CMC.
Le funzionalità del CDRG sono implementate su un plug computer basato su processore Sheeva a 1.2 Ghz e con sistema operativo Linux.
Il CDRG è alimentato dall’unità di alimentazione con pannello fotovoltaico descritta sopra.

Le funzionalità principali del CDRG sono:

  • gestione della rete ZigBee
  • raccolta delle misure effettuate dai DM
  • trasmissione delle misure al CMC

L’interfaccia tra CDRG e CMC è basata sul paradigma REST. REST è l’acronimo di Representational Transfer State, ed è un paradigma per la realizzazione di applicazioni Web che permette la manipolazione delle risorse per mezzo dei metodi GET, POST, PUT e DELETE del protocollo HTTP. I messaggi scambiati tra il gateway e l’host sono in formato XML e permettono di gestire, monitorare ed interrogare la rete di sensori ZigBee.

Centro di Controllo remoto

L’interfaccia software di CMC è stata realizzata ottimizzando le prestazioni dell’interfaccia con l’operatore e consente contemporaneamente:
•    L’acquisizione,  l’archiviazione, il monitoraggio ed il trattamento continuo dei dati in arrivo dai singoli DM
•    La gestione degli allarmi e dello stato delle diverse unità/sotto unità che compongono SISA
•    L’invio di comandi verso i DM
•    La visualizzazione dei dati memorizzati in archivio
•    La configurazione dell’intero sistema

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