Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre
E’ indubbio che la coltivazione in serra, riducendo notevolmente l’influenza delle condizioni climatiche esterne sulla crescita delle colture, permette un incremento di produttività e qualità.
La salute delle piante è comunque influenzata da una serie complessa di condizioni microclimatiche interne. La chiave per il raggiungimento di un elevato livello di qualità, quantità e redditività della produzione sta nella profonda conoscenza di questi fattori e nella possibilità di attuare un controllo sugli stessi.
Nonostante le serre siano protette dagli agenti atmosferici esterni, senza un adeguato sistema di controllo è probabile il verificarsi all’interno di condizioni altrettanto avverse: valori fuori range di temperatura ed umidità possono impedire la crescita delle piante, limitare la produzione di frutti e contemporaneamente favorire la diffusione di malattie e la proliferazione di parassiti, con risultati devastanti per la produttività.
La coltivazione all’interno delle serre permette alle piante di crescere a temperature solitamente tra 12 e 28 °C e ad un’umidità relativa del 60-80% circa. Queste condizioni sono ideali perché permettono di raggiungere il tasso ottimale di fotosintesi delle piante.
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Il
controllo delle condizioni microclimatiche interne alla serra
conduce, quindi, oltre al raggiungimento delle condizioni
ottimali per la crescita delle colture, anche alla possibilità
di limitare l’impiego di indesiderati trattamenti fungicidi e
battericidi.
L’ultimo decennio ha visto il sorgere di numerose tecnologie di
comunicazione wireless, sia in campo Wide Area Network (GSM,
GPRS, UMTS) che Metropolitan Area Network (Wi-Max IEEE 802.16),
nonché nell’ambito delle Local e Personal Area Network (ad
esempio, reti Wireless LAN, WLAN, basate su standard IEEE 802.11
e sue successive modifiche, reti wireless PAN basate su standard
IEEE 802.15 o standard Bluetooth e ZigBee ). In un’applicazione
di monitoraggio dei parametri ambientali all’interno di una
serra può rivelarsi fondamentale l’ausilio di una rete wireless,
in grado di realizzare un sistema caratterizzato da elevata
flessibilità, semplicità di implementazione e bassi costi di
installazione.
In particolare lo standard ZigBee fornisce una adeguata
infrastruttura per l’implementazione di reti di sensori
caratterizzate da basse velocità di trasmissione, bassi costi,
bassissimi consumi energetici, ed elevata sicurezza e
affidabilità, caratteristiche queste, che la rendono ideale per
la realizzazione di un sistema di monitoraggio distribuito.
Attraverso ZigBee è possibile implementare reti di
telecomunicazione dalle topologie più disparate, che vanno dalle
semplici reti a stella, caratterizzate dalla presenza di un
coordinator centrale ed una serie di nodi periferici in
comunicazione col nodo centrale, alle reti di tipo mesh (ad
albero o a maglia) in cui ogni nodo è in comunicazione con tutti
gli altri nodi della rete, permettendo attraverso tecniche di
instradamento moltihop la definizione di cammini multipli tra il
nodo trasmittente e il nodo ricevente; tale caratteristica è
alla base delle proprietà di autoconfigurazione e
riconfigurarabilità delle reti ZigBee.
I recenti sviluppi nella tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical
Systems), nelle comunicazioni wireless e nell'elettronica
digitale in genere, hanno consentito negli ultimi anni la
realizzazione di sensori multifunzionali in grado di comunicare
reciprocamente entro brevi distanze. I sensori, quando
interagiscono tra di loro su base collaborativa, realizzano una
Wireless Sensor Network (WSN), capace di monitorare l'ambiente,
processare i dati, prendere decisioni basate sulle osservazioni
ed effettuare le opportune azioni di controllo. Poiché i sensori
sono generalmente alimentati da batterie, un problema critico
nelle reti di sensori, come per le reti ad hoc, è proprio un uso
efficace delle risorse energetiche.
In relazione allo studio della rete Wireless Sensor Network (WSN),
la problematica dell’ottimizzazione energetica riveste un ruolo
fondamentale; a tal proposito si intende implementare soluzioni
innovative che consentano di prolungare la vita media dei
sensori e conseguentemente il tempo di funzionamento dell’intera
WSN. In particolare, si adotteranno soluzioni avanzate per i
protocolli di accesso al mezzo, unitamente allo sfruttamento
delle proprietà di power saving tipiche dei dispositivi
impiegati. Si metteranno a punto, inoltre, nuovi schemi per
controllare il numero di sensori attivi e la frequenza con cui
ognuno di essi trasmette al nodo centrale le informazioni
raccolte. Questo approccio è originale in quanto, attraverso
l’implementazione di opportuni algoritmi, permette di sfruttare
sia un sottocampionamento spaziale (interrogando
alternativamente i sensori in base alla loro collocazione fisica
all’interno della serra) che un sottocampionamento temporale
(interrogando i sensori soltanto quando esplicitamente
richiesto) dei dati prodotti dai sensori.
In questo contesto, le soluzioni che questo progetto si pone di
individuare, costituiscono un passo importante nella direzione
di un utilizzo organico e coordinato di differenti piattaforme
di telecomunicazione.
In letteratura sono riportati diversi tentativi di integrare
Wireless LAN e sistemi tradizionali di telefonia mobile, oppure
integrazioni tra reti di terza/quarta generazione e classiche
reti GSM. Pochi sono invece i tentativi di studiare metodologie
per sfruttare, per quanto possibile, i vantaggi di diverse
tecnologie di rete quali WLAN, WPAN, ad hoc network, Sensor
Network.
Il sistema di controllo che si vuole realizzare presenta
caratteristiche fortemente innovative, in quanto ha l’obiettivo
di attuare una efficiente interoperabilità tra reti di diverso
tipo, attraverso l’implementazione di una architettura
gerarchica sviluppata su due distinti livelli:
1) Rete di sensori (PAN – Personal Area Network): posta al
livello più basso è costituita da diversi nodi sensore/attuatore
ed un nodo “sink” che rappresenta sia l’elemento centrale della
rete che il punto di accesso verso il livello superiore.
2) Rete GPRS (WAN – Wide Area Network): posta al livello
gerarchico superiore, utilizzata per lo scambio bidirezionale
delle informazioni da e verso un server remoto di controllo.
Dal punto di vista realizzativo l’uso di hardware basato su
logiche programmabili rende il sistema estremamente flessibile
in termini di eventuali “upgrade” (è sufficiente una
riprogrammazione del dispositivo per effettuare un aggiornamento
del protocollo di trasmissione). In generale, le logiche
programmabili, combinano i benefici propri dell’integrazione
della logica relativi a dispositivi VLSI (Very Large Scale of
Integration) custom, con i vantaggi in termini di progettazione,
produzione e riduzione dei tempi di sviluppo e conseguentemente
del “Time to Market”, tipici dei prodotti standardizzati. La
flessibilità della riprogrammabiltà riduce significativamente i
costi di variazione di progetto.
La modularità del sistema consente, inoltre, la semplice
scalabilità della rete in funzione delle effettive esigenze
legate al particolare contesto in cui essa è calata (ad esempio
estensione e morfologia del luogo da monitorare). Un ulteriore
carattere innovativo è rappresentato dalla realizzazione di una
piattaforma unica in grado di acquisire, elaborare, memorizzare
e trasmettere dati di natura differente, integrando sistemi
eterogenei, e ricevere tutte le informazioni necessarie al
controllo delle condizioni ambientali dalle centrali operative.
Sulla base delle precedenti considerazioni, si intende mettere a
frutto le competenze, da tempo maturate, nell’ambito dei sistemi
logici programmabili e delle tecnologie di telecomunicazione
wireless, nonché nell’implementazione di reti complesse di
sensori, realizzando un sistema che, integrando tutte queste
tecnologie, sia in grado di monitorare le condizioni
microclimatiche all’interno di una serra e attuare un controllo
sulle stesse.
Un altro aspetto da non sottovalutare riguarda il forte legame
tra le problematiche affrontate dal progetto e il contesto
territoriale pugliese, a forte vocazione agricola, in cui negli
ultimi anni si è avuta una decisa spinta verso l’utilizzo di
nuove tecniche di coltivazione, accompagnata da grossi
investimenti nel campo delle serre per colture ortofrutticole.
Ciò premesso, Microlaben intende realizzare un sistema per il
monitoraggio delle condizioni climatiche all’interno della serra
ed il controllo automatico e/o remoto degli attuatori,
utilizzati per intervenire opportunamente al verificarsi di
eventuali situazioni dannose per le colture, basata su una
infrastruttura di rete gerarchica organizzata su due livelli. |
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