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Articolo pubblicato il 17-03-2005
di P.Battista, F, Sabatini, A. Zaldei
CNR-IBIMET: Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto di Biometeorologia (Fi)
Numero 14 - Anno 2
17 Marzo 2005
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 STAZIONE METEOROLOGICA Weather-SAT
Weather-SAT è una stazione meteorologica per la misura delle principali grandezze fisiche atmosferiche con la trasmissione dei dati via modem satellitare per scopi di monitoraggio agro-ambientale.
La conoscenza del tempo atmosferico è di fondamentale importanza per tutte le attività umane, sia per quelle che, strettamente legate all'ambiente e al territorio, necessitano di una programmazione (ad. es. agricoltura), sia per gli organismi di protezione civile, per permettere loro di pre-attivarsi in situazioni ambientali a forte rischio.
Valutazioni in tempo reale degli elementi meteorologici e di indici da essi derivati, sono importanti per decisioni a breve termine, quali operazioni colturali in agricoltura (semina, coltivazione, raccolto), o per misure di protezione civile. La conoscenza delle condizioni microclimatiche e delle risorse ambientali disponibili, possono fornire una guida per decisioni strategiche per piani ad ampio raggio come gestione del territorio, programmi di irrigazione, ecc.
Nonostante l'ausilio che possono venire dall'uso di satelliti, per molti scopi si ha la necessità di reti di monitoraggio a terra, in cui la densità dei punti di misura, molto spesso, è limitata dai costi e non da considerazioni tecniche.
La stazione Weather-SAT nasce dall'esigenza di conciliare esigenze di basso costo a caratteristiche di affidabilità e precisione per la maggior parte delle applicazioni in campo meteorologico, agrometeorologico e di ricerca scientifica. È stata sviluppata in collaborazione con una Piccola-Media-Impresa dell'area fiorentina nell'ambito di un trasferimento tecnologico dei risultati dell'attività di ricerca.
Nella configurazione standard la stazione meteorologica misura temperatura e umidità dell'aria, radiazione solare globale, pioggia, direzione e intensità del vento (Fig. 1, 2). La stazione Weather -SAT acquisisce i segnali dei sensori presenti nella gabbia meteorologica (Fig.3), utilizzando un dispositivo esterno connesso direttamente alla scheda madre. Inoltre sono disponibili 3 canali digitali (counter) e 8 ingressi analogici, accessibili tramite le morsettiere dedicate: 5 ingressi analogici (0÷5V oppure 4÷20 mA) con una risoluzione di 16 bit e 3 chn analogici (0÷5V oppure 4÷20 mA) con una risoluzione di 10 bit. Per i canali analogici esiste la possibilità di impostare l'amplificazione del segnale rendendoli adattabili a vari tipi di sensori.
La centralina può essere alimentata tramite pannello solare o in alternativa direttamente dalla rete a 220Vac tramite un alimentatore; la presenza di una batteria in tampone garantisce il funzionamento del sistema in mancanza di alimentazione, con un'autonomia di circa una settimana. Il sistema ha inoltre una batteria interna per la gestione dell'ora di sistema e del mantenimento dei dati nella memoria.
Il sistema può essere integrato con un modem GSM o con un modem satellitare, per la trasmissione dei dati in remoto. La connessione al sistema si può effettuare anche da un PC, con l'apposito software d'interfaccia, tramite una seriale di servizio RS232.
Fig. 1 - Stazione Weather-SAT nella configurazione standard: temperatura e umidità dell'aria, radiazione solare globale, pioggia, direzione e intensità del vento.
Fig. 2 - Stazione Weather-SAT nella configurazione a 10 m.
Fig. 3 - Gabbia meteorologica in cui sono posizionati i sensori di temperatura e umidità dell'aria.
Elaborazione e trasmissione dati
La stazione acquisisce ogni minuto i segnali dei sensori e li elabora in base alle caratteristiche della grandezza misurata. Al fine di eliminare ponti termici tra il sensore di temperatura e lo schermo protettivo della gabbia meteorologica, il sistema attiva una ventola di aspirazione 10 s prima dell'istante di acquisizione del segnale, in modo da creare un flusso d'aria dall'esterno verso l'interno.
Le elaborazioni effettuate, sull'intervallo prescelto dall'utente tra quelli disponibili (15', 30', 60'), sono :
(cliccare con il mouse per ingrandire)
I risultati di queste elaborazioni sono registrati nella memoria del Data Logger mentre è previsto l'invio, tramite modem satellitare, di un solo tipo di elaborazione per grandezza, visto i costi del servizio (modalità Modem). In questo caso i dati vengono codificati in modo da ridurre i byte trasmessi secondo un metodo appositamente sviluppato. Per gli stessi motivi di costo l'utente ha la possibilità, in alternativa, di trasmettere il solo dato di pioggia o il solo record dei dati elaborati su scala giornaliera.
E' prevista anche la possibilità che i dati siano trasmessi direttamente ad un PC, tramite un collegamento seriale, selezionando la modalità Seriale o la modalità Video. In modalità Seriale, allo scadere degli intervalli di elaborazione impostati (15', 30', 60'), il sistema invia in chiaro gli stessi dati trasmessi in modo codificato nella modalità Modem.
In modalità Video, i dati vengono acquisiti ogni minuto e inviati direttamente sulla porta seriale, mentre, al termine di ogni periodo di elaborazione scelto, i dati sono registrati sulla memoria. In questo caso i dati sono inviati sulla porta seriale secondo il formato seguente: Data, Ora, Temperatura aria, Umidità aria, Radiazione solare globale, Velocità Vento, Direzione Vento, Pioggia.
Oltre a queste è prevista una modalità Test, riservata ai tecnici, per verifiche e manutenzione del sistema: i dati sono acquisiti ogni 5 s e inviati direttamente sulla porta seriale, mentre l'elaborazione e la memorizzazione dei dati viene sospesa.
Capacità memoria del Data Logger
La memoria del Data Logger è di 512 KByte e consente di registrare fino ad un massimo di circa 9000 record di dati; a seconda dell'intervallo di memorizzazione prescelto, la capacità di memoria del Data Logger varia da un minimo di 3 mesi ad un massimo di circa 1 anno.
Allo scadere degli intervalli di elaborazione prescelti, oltre ai dati dei sensori, il sistema memorizza anche il livello di tensione della batteria, per evidenziare eventuali situazioni che possono influenzare la validità dei dati acquisiti.
Gestione allarmi Al fine di una gestione ottimale della manutenzione sono previsti alcuni messaggi di allarme che la stazione può inviare al Centro Gestione Dati:
Capacità memoria - Quando la memoria del Data Logger risulta occupata per più del 90%, viene trasmessa ogni giorno una stringa di allarme.
Tensione batteria - Quando la tensione di batteria scende al di sotto di 10.5 V viene trasmessa una stringa di allarme al Centro Gestione Dati. L'allarme viene anche visualizzato nella finestra della sezione "Batteria" del software di gestione della stazione, al momento di una connessione diretta seriale, e rimane attivo finché non è effettuato un reset da parte dell'operatore. Questo permette di verificare se vi sono stati problemi con la batteria nel periodo intercorso tra due controlli di manutenzione, nel caso non fosse abilitata una modalità che consente la trasmissione dei messaggi.
Trasmissione satellitare dei dati
In modalità Modem la stazione meteorologica invia al centro di controllo di Telespazio (Telespazio è il gestore italiano della rete OrbComm.) , (Fig. 4), tramite il modem satellitare e i satelliti della rete OrbComm, una stringa di dati, formattati secondo la codifica messa a punto per ridurre i byte trasmessi. Per risparmiare sui costi di trasmissione i dati di pioggia e radiazione solare non vengono trasmessi quando assumono valori nulli. Il centro di controllo di Telespazio, acquisito il record di dati, lo trasmette agli indirizzi definiti dagli utenti mediante un messaggio e-mail (Fig. 5).
Fig. 4 - Modalità di trasmissione dei dati dalla stazione meteorologica all'utente, tramite il modem satellitare.
Fig. 5 - Esempi di messaggio e-mail inviato dal Centro di controllo di Telespazio.
La stazione Weather-SAT consente una rapida installazione, un'alimentazione autonoma (pannello solare) e un controllo in remoto, data la presenza di una copertura satellitare globale. Il costo di trasmissione satellitare dei dati dipende sia dalla frequenza di trasmissione sia dai byte trasmessi. I costi fissi e di manutenzione di questa stazione la rendono adatta ad un largo numero di applicazioni, sia nel campo agronomico sia ambientale.
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Autore: di P.Battista, F, Sabatini, A. Zaldei
CNR-IBIMET: Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto di Biometeorologia (Fi)
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