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Progettazione di una stazione anemometrica: aspetti software

Informazioni tesi

  Autore: Duccio Picinotti
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2005-06
  Università: Università degli Studi di Siena
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria dell'automazione
  Relatore: Massimo Alioto
Coautore: Duchi Alessio
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 97

Il progetto realizzato per questa tesi nasce dalla necessità di un autore della stessa: conoscere in tempo reale e a distanza le condizioni del vento (velocità, direzione e temperatura) in cima al monte Lignano, rilievo situato sopra il paese di Policiano in provincia di Arezzo, da cui vengono eseguiti dei lanci col parapendio o col deltaplano. Per poter generalizzare il più possibile l’uso della nostra apparecchiatura abbiamo dovuto compiere una serie di scelte progettuali ben precise, dovute alla particolarità del luogo in cui il nostro progetto si trovava a dover operare. Dato che l’apparecchiatura si trova in un luogo in cui non è presente la rete elettrica, le nostre scelte si sono focalizzate sull’uso di un piccolo pannello solare con batteria tampone di corredo e sulla minimizzazione della potenza totale consumata (per non dover passare ad un pannello solare troppo grande). Inoltre, per evitare uno spreco della carica immagazzinata nella batteria tampone, dato che di notte l’acquisizione dati aveva poco senso, abbiamo usato un timer (che a riposo consuma pochissimo) che serve per accendere e spegnere l’apparecchiatura in certe fasce orarie programmabili (fino a 8 programmazioni possibili).
Per la misura vera e propria del vento abbiamo comprato un anemometro digitale, corredato di un anemoscopio digitale, lo abbiamo piazzato sul monte tramite un palo in alluminio in una posizione non coperta, in cui non ci fossero delle perturbazioni del flusso ventoso, per evitare rilevazioni errate della velocità del vento. Per quanto riguarda la misurazione della temperatura abbiamo scelto di usare una semplice termoresistenza PTC con una curva nota di variazione della resistenza con la temperatura (di tipo esponenziale, da noi trattata come lineare nell’intervallo di temperature di nostro interesse). Abbiamo poi creato un semplice circuito con un NE 555 che converte la resistenza variabile in una frequenza variabile, che viene poi misurata nella logica programmabile ed inviata via radio insieme agli altri dati del vento. Per quanto riguarda la scheda di acquisizione la scelta è caduta su una moderna logica digitale programmabile tramite il linguaggio di descrizione hardware ormai largamente utilizzato denominato VHDL (Very high speed integrated circuit Hardware Description Language). La scelta doveva essere compiuta fra una logica FPGA (Field Programable Gate Array: capiente, veloce ma anche con un consumo elevato e senza memoria non-volatile) e una CPLD (Complex Programmable Logic Device: meno capiente, più lenta, ma anche con minor consumo e con memoria). A causa delle condizioni di utilizzo senza rete elettrica la scelta è ricaduta necessariamente sulla CPLD (benché fosse meno capiente), in quanto la logica di tipo FPGA, in caso di mancanza di alimentazione, avrebbe perso la programmazione, vanificando così anche la possibilità di poter spegnere l’apparato di notte. In più la logica FPGA avrebbe consumato maggior potenza e quindi ci avrebbe costretti a dover comprare un pannello solare molto più grande (con il conseguente aumento di prezzo dell’intero progetto). Comunque, a causa dell’esigua memoria disponibile nelle CPLD, abbiamo dovuto lavorare molto all’ottimizzazione del programma VHDL, per poter inserire sulla logica l’intero hardware necessario ai nostri scopi.
Per quanto riguarda la parte di trasmissione e ricezione del segnale, abbiamo potuto usare due normali radio PWM in commercio con una portata compresa fra 3 a 5 Km, già possedute dall’autore della tesi, mettendo quella con un consumo più basso in trasmissione in cima al monte.
Tutta l’apparecchiatura (batteria tampone, scheda CPLD e timer on/off) è stata racchiusa all’interno di una scatola di alluminio con lucchetto per evitare eventuali danneggiamenti, impermeabilizzare la parte elettrica ed evitare il contatto diretto con i raggi solari. Il tutto è stato poi coperto sia superiormente che lateralmente da un lamierino di alluminio sulla cui sommità è poi stato piazzato il pannello solare.
La parte di ricezione è composta da una delle radio che viene connessa direttamente con un cavo alla porta del microfono (mono) della scheda audio di un normale PC, nel quale gira un programma scritto in Visual Basic per la decodifica dei dati inviati dalla stazione anemometrica (mediante l’uso della Trasformata veloce di Fourier FFT). In questa scelta risiede la modulabilità del nostro progetto in quanto il PC non necessariamente e’ un computer fisso, potrebbe essere anche un portatile con una normalissima radio ricevente collegata e con il nostro programma installato, in modo da poter ricevere i dati acquisiti dalla stazione anemometrica in tutti i punti a portata del segnale radio inviato. Tutti i dati acquisiti tramite il programma in Visual Basic (che gira in background nella traybar) vengono inseriti in un normalissimo database Access e vengono visualizzati a schermo tramite dei grafici temporali.

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5 Introduzione Il progetto realizzato in questa tesi è stato oggetto di due tesi separate, nella presente sono approfonditi solamente gli aspetti software mentre nell‟altra [Duchi A., Settembre 2006] vengono presentati quelli hardware. Il progetto nasce dalla volontà degli autori di conoscere in tempo reale e a distanza le condizioni del vento (velocità, direzione e temperatura) in cima al monte Lignano, rilievo situato presso il paese di Policiano nella nostra provincia e dal quale vengono eseguiti spesso lanci col parapendio o il deltaplano. Per poter eseguire dei lanci in sicurezza col parapendio, il vento deve trovarsi in condizioni di velocità e direzione ben precise: non dovrebbe superare i 30 Km/h ed avere una direzione compresa fra ± 45° rispetto alla direzione di partenza del decollo. Inizialmente il problema risiedeva ne l fatto che, senza conoscere in anticipo le condizioni del vento, si correva il rischio di andare attrezzati nel luogo del volo e di scoprire poi che non c‟erano le condizioni adatte ad effettuarlo. Per ovviare a questo problema, già prima della costruzione del nostro apparato di rilevazione via radio, in cima al monte era stato montato un anemometro, corredato di un microcontrollore PIC, che poteva essere interrogato tramite cellulare. Fra i vantaggi di questa soluzione c‟era la possibilità d‟interrogare l‟anemomet ro da qualsiasi punto in cui fosse stata disponibile la rete del proprio operatore di telefonia mobile. Ma questa precedente soluzione presenta come inconveniente il fatto di inviare, tramite un messaggio creato da un sintetizzatore vocale, solamente i dati “istantanei” sulle condizioni del vento, senza tenere conto anche dell‟andamento temporale. Disponendo solo dei dati istantanei infatti non si potevano eseguire delle previsioni a breve termine e quindi non era remota la possibilità di trovare all‟arrivo in cima al monte le condizioni di vento sfavorevoli rispetto al momento della partenza. Da ciò è nata la necessità di avere uno storico dell‟andamento delle condizioni del vento con il quale fosse possibile conoscere con più precisione nel posto dei decolli gli sviluppi futuri, nel breve termine, delle condizioni atmosferiche, evitando inutili viaggi fino in cima al monte. Per modificare la situazione sono state usate due radio LPD (Low Power Device), con accoppiato un server a casa, al posto del solo cellulare: il nuovo apparato in questo modo permette di dare risultati migliori del precedente (dato che adesso è possibile

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