COME FUNZIONANO LE NOSTRE STAZIONI DI MISURA?

Le stazioni di controllo ambientale del progetto www.radioattivitaferrara.it denominate rispettivamente Teolab-1 e Teolab-2 EMS nascono con l'intento di creare una rete amatoriale di misura e acquisizione automatica del fondo naturale di radiazione nella città di Ferrara. Le stazioni del progetto sono attive 24h su 24, 7 giorni su 7 e per 365 giorni all'anno, il tutto con un minimo di intervento manutentivo da parte dello staff gestionale. Ciascuna stazione di rilevamento è posizionata in un luogo preciso della città, all'interno di un'area privata (il progetto è autofinanziato dal team e non occupa suolo pubblico) e il fondo naturale è campionato alla giusta distanza dagli altri punti di rilevamento, onde avere sempre dati affidabili e utilizzabili anche a livello scientifico.

Le stazioni di controllo ambientale Teolab-1 e Teolab-2 svolgono pertanto le seguenti funzioni:

• raccolgono dati giornalieri del fondo naturale di radiazione, campionandone l'entità con sessioni di acquisizione minime di un minuto;
• con la stessa cadenza temporale acquisiscono i dati meteorologici relativi alla zona di campionamento della radioattività, come: temperatura, umidità relativa, dew point e pressione atmosferica;
• memorizzano tutte le grandezze fisiche rilevate per creare un local storage di sicurezza, dell'andamento generale del fondo naturale di radiazione locale;
• formattano i dati acquisiti per inviarli poi successivamente al centro di elaborazione principale per la successiva pubblicazione su www.radioattivitaferrara.it; 
• allertano via email i responsabili delle stazioni, nel qual caso sussistano situazioni d'attenzione che richiedano supervisione umana (guasti improvvisi, permanenti e transitori o la presenza di over range strumentale).

Per espletare tutte queste funzioni ogni stazione è dotata del seguente hardware:

• un contatore Geiger-Müller per il rilevamento locale del fondo naturale di radiazione, completo di sonda di misura opportunamente dimensionata per l'individuazione di particelle corpuscolari (α,β) ed elettromagnetiche (γ, X);
• un pacchetto di sensori meteorologici per rilevare al punto di campionamento della radioattività, temperatura, umidità e pressione atmosferica;
• una scheda elettronica di controllo (da ora chiamata: EMS-PCB) in grado di gestire tutta la sensoristica sopraccitata, eseguire con precisione i timing necessari all'ottenimento delle misure, nonché tutte le opportune conversioni matematiche necessarie all'ottenimento degli importanti dati finali;
• un mini PC completo di sistema operativo, con software dedicato di acquisizione e controllo (da ora chiamata: EMS-APP), in grado di memorizzare le letture, analizzarle nel suo insieme, impacchettarle opportunamente e poi inviarle via internet alla stazione di elaborazione principale del progetto.

Lo schema a blocchi sottostante riassume le funzionalità di ciascuna stazione di misura:

1. Sensore Geiger-Müller;
2. Sensori meteorologici;
3.  EMS-PCB;
4. Mini PC (con processore Intel I3 - 240Gb HDD SSD - 8Gb RAM);
5.  Sul mini PC è installata EMS-APP;
6. Il mini PC è connesso via ethernet a un modem FTTH che utilizza a sua volta internet per il trasferimento dei dati ...;
7. ... al centro di elaborazione principale, che successivamente si occupa anche di pubblicare i dati su www.radioattivitaferrara.it.

Tutto il sistema è sorretto elettricamente da apposito UPS, onde prevenire eventuali disservizi dovuti a blackout o improvvisi sbalzi di tensione dalla rete elettrica nazionale.

Le stazioni di misura del progetto radioattivitaferrara.it funzionano grazie a un apposito hardware opportunamente progettato, costruito e programmato da Negri Matteo, tecnico elettronico per professione, nonché responsabile gestionale del progetto e della stazione di misura Teolab-1 installata a Ferrara Nord (Pontelagoscuro). La scheda elettronica EMS-PCB, infatti, nasce proprio dall'esperienza maturata negli anni da Matteo con la realizzazione di misuratori Geiger, alcuni dediti al rilevamento del fondo naturale di radiazione, altri installati in veri e propri strumenti di misura portatili (progetto AlphaTeo), altri costruiti per il rilevamento dei raggi cosmici nella stratosfera terrestre. Quest'ultimi hanno volato sino a 38 km di quota nell'ambito del progetto Stratospera, promosso dall'associazione ISAA per lo studio e la divulgazione delle scienze aerospaziali in Italia.

Ogni stazione di misura del progetto radioattivitaferrara.it pertanto, ospita una sofisticata circuiteria di misura e controllo derivata da questa esperienza, in grado di fornire dati attendibili sull'entità del fonda naturale di radiazione che ci circonda. Per garantire nel tempo questo importantissimo target, il progetto integra un tubo Geiger-Müller pancake di tutto rispetto, costruito dalla prestigiosa azienda LND inc di Long Island (New York - USA) e denominato LND 7312. Questa sonda è conosciuta nell'ambiente proprio per le ottime performance che la caratterizzano, derivate dall'ottima qualità progettuale e dai materiali di prim'ordine utilizzati per la costruzione, non ultimo per l'elevata affidabilità nel tempo. Dotata di ampia finestra di rilevamento in mica di ben 45 mm di diametro, questo trasduttore risulta sensibile sia alle particelle corpuscolari "α e β", sia alle radiazioni elettromagnetiche "x e γ", rappresentando così, in tutto e per tutto, la scelta migliore per analizzare il fondo naturale di radiazione, caratterizzato per gran parte dalle più disparate radiosorgenti di cui non si conoscono né l'entità, né le caratteristiche emissive ...

Per operare al meglio la sonda LND 7312 necessita di un generatore di alta tensione estremamente stabile, affidabile e rigorosamente stabilizzato sulla tensione anodica prevista dal costruttore, ovvero: 500 Vdc. Questa tensione infatti, una volta applicata agli appositi elettrodi che caratterizzano il sensore, permette di fornire tutto l'apporto elettrico necessario al rilevamento della radioattività, mantenendo il funzionamento al centro del corridoio di linearità. L'ottima fattura del generatore di alta tensione, inoltre, permettere di fornire alla sonda tutto l'apporto necessario in corrente, che si traduce in una buona risposta elettrica al carico radioattivo incidente e un ottimo deterrente alla nascita degli impulsi spuri che tanto caratterizzano questo genere di sensori e che molto spesso limitano la loro precisione delle letture fornite.

Per far fronte a tutti questi propositi e ottenere dati attendibili pertanto, in fase progettuale si è scelto di integrare alle stazioni di misura un alimentatore ad alta tensione di ottima qualità, progettato e costruito da Matteo alcuni anni orsono e utilizzato con profitto sia nei voli nella stratosfera terrestre, sia in progetti meno ambiziosi come il contatore professionale AlphaTeo. Denominato AlphaTeo-3.0-Probe, questo piccolo alimentatore DC/DC intelligente, soddisfa tutti i requisiti necessari ad avere stabilità e affidabilità garantiti nel tempo.

Sul piccolo PCB che lo caratterizza trovano posto:

• un DC/DC converter che eleva la tensione di alimentazione di 3,3 Vdc fornita dalla scheda principale EMS-PCB a 500 Vdc per il funzionamento della sonda di misura al centro del corridoio di linearità, anche in presenza di temperature ambientali notevoli;
• un rivelatore di impulsi generati dalla sonda in presenza di radiazione ionizzante;
• un discriminatore di spurie con filtro di riduzione attiva del rumore;
• un adattatore di segnali per l'invio dei segnali al microcontrollore gestionale;
• un connettore RJ45 per il raccordo con la scheda principale di controllo EMS-PCB.

Per limitare al minimo l'entità della caduta di tensione anodica della sonda, nonché il rumore elettrico generato dall'ambiente, AlphaTeo-3.0-Probe trova posto direttamente nell'hub del rivelatore esterno di radiazione di ciascuna stazione di misura, proprio a pochi millimetri di distanza dalla sonda Geiger-Müller che equipaggia la stazione. L'alta affidabilità del progetto e la qualità dei componenti elettronici utilizzati, infatti, lo rendono idoneo ad operare sotto ogni condizione ambientale.

Per rilevare i dati meteorologici del luogo di campionamento, invece, sono stati scelti e integrati sensori noti per la loro semplicità di interfacciamento con i più comuni microcontrollori esistenti sul mercato e per la loro più che discreta precisione.

Nelle stazioni Teolab-1 e Teolab-2 trovano quindi posto:

• Un DS18B20 per il controllo della temperatura interna alla stazione di misura;
• Un DHT22 per il controllo della temperatura e umidità ambientale;
• Un BMP085 per la misura della pressione atmosferica.

Alla scheda EMS-PCB, inoltre, possono essere implementati anche i seguenti sensori:

• Rivelatore direzionale di raggi cosmici (attivo a breve);
• Camera di scintillazione omnidirezionale per rivelatore di raggi cosmici (in costruzione);
• Anemometro e anemoscopio per il monitoraggio del vento (attivi a breve);
• Pluviometro giornaliero per la valutazione dei mm caduti di pioggia (attivo a breve).

Essendo EMS-PCB dotata anche di due Mikrobus socket, è possibile integrare alla scheda principale di misura, qualsiasi sensore previsto da questo standard, come ad esempio:

• Sensore di fulmini "Thunder click";
• Sensore della qualità dell'aria "Air quality 2 click";
• Sensore indice UV "UV click";
• tanto altro ancora ...

oppure interfacce di comunicazione alternative, come:

• controller WiFi;
• controller Ethernet;
• controller Blutooth;
• tanto altro ancora ...

Ad eccezione del DS18B20 che per ovvie ragioni è collocato all'interno del quadro elettrico della stazione di misura (rileva la temperatura della strumentazione e arma all'occorrenza il sistema di ventilazione), i sensori DHT22 e BMP085 trovano posto nell'apposito hub di rilevamento meteorologico posto all'esterno. Tutta la rete sensoristica fa capo alla scheda principale di controllo EMS-PCB. A questa unità è demandato tutto il controllo embedded delle stazioni di misura Teolab-1 e Teolab-2 EMS.

La scheda di controllo EMS-PCB rappresenta il cuore delle stazioni di misura Teolab-1 e Teolab-2 EMS. E' progettata e programmata con l'intento di essere completamente indipendente nella gestione dei processi di misura, nel controllo dell'intero pacchetto sensoristico e nelle comunicazioni con gli organi di controllo che caratterizzano il sistema. Per eseguire accuratamente tutte queste importanti funzioni, la supervisione generale è stata affidata a un microcontrollore Microchip a 8 bit, denominato PIC18F87K22. Conosciuto nell'ambiente per essere una MCU entry level dalle ottime prestazioni (oltre ad avere un oscillatore interno, overclockabile con PLL sino a 64MHz, adotta anche la XLP nano watt technology), ospita al suo interno una flash memory da ben 128 kB (più 4kB di SRAM e 1kB di EEPROM), sulla quale è caricato il firmware specifico gestionale, scritto e compilato in MikroC di MikroE.

La scheda nel suo insieme appare così e presenta le seguenti caratteristiche:

1. è dotata di un microcontrollore a 8 bit del tipo PIC18F87K22 overclockabile in PLL sino a 64MHz che rappresenta il cuore del sistema;
2. è dotata di un display TFT a colori da 2,8" con risoluzione 320x240, completo di touch screen resistivo come interfaccia utente (qui appare omesso per evidenziare l'hardware sottostante);
3. è dotata di due socket mikrobus (MB1 e MB2) per l'interfacciamento alle pratiche espansioni "click board" di MikroE che possono ospitare moduli ethernet, wifi, ma anche sensori aggiuntivi;
4. è dotata di un alimentatore switching integrato in grado di generare le tensioni necessarie al funzionamento della scheda (3,3VCC/3A e 5VCC/3A);
5. è dotata di slot per miroSD card, dove possono essere memorizzati i dati rilevati dai sensori, nonché i media necessari al funzionamento dell'interfaccia utente costituita dal display TFT;
6. è dotata di minispeaker piezoelettrico per emissione di segnali sonori personalizzati;
7. è dotata di interfaccia UART/USB (con chip FT232RL) per tutte le comunicazioni con dispositivi esterni (come ad esempio un PC);
8. è dotata di slot per l'inserimento di una Instrument Measure Unit (IMU) completa di sensore di pressione atmosferica;
9. è dotata di un connettore flat cable bus a 14 pin per l'interfacciamento della scheda ad altri dispositivi (sono presenti: 2 bus UART-TTL, 1 bus SPI completo di CS e RST line, 1 bus I2C, alimentazioni 3,3Vcc e 5Vcc);
10. è dotata di un connettore per il bus I2C su cui è possibile collegare sensori o periferiche esterne che utilizzino questo protocollo;
11. è dotata di due connettori specifici per il bus One-Wire su cui è possibile integrare i sensori termici della serie DS1820 e DHT11/22;
12. è dotata di un connettore con uscita a 12Vcc protetta da fusibile, per l'alimentazione controllata del ventilatore di raffreddamento della stazione di misura;
13. è dotata di un connettore "MikroProg for PIC" per la programmazione in-circuit della MCU;
14. è dotata di quattro porte RJ45 per l'interfacciamento delle unità di misura della radioattività: uno per AlphaTeo-3.0-Probe e tre per i rivelatori direzionali di raggi cosmici;
15. è dotata di un connettore per lo speaker del rivelatore del fondo naturale di radiazione (escludibile con un apposito jumper, permette di udire il ticchettio tipico della radioattività);
16. è dotata di connettore RJ11 per l'interfacciamento con i sensori del vento (anemometro e anemoscopio);
17. è dotata di connettore RJ11 per l'interfacciamento con il pluviometro;
18. è dotata di un connettore innestabile per il cavo di alimentazione a 12VCC proveniente dall'alimentatore principale della stazione di misura.

Tutto il sistema di misura che caratterizza la stazione di misura Teolab-EMS è collocato in un apposito quadro stagno in ABS, che oltre a proteggere la parte elettrico/elettronica dalla polvere e dalle intemperie, evita ogni accesso non autorizzato all'hardware. All'interno del quadro della stazione, nella parte bassa, trova posto la scheda EMS-PCB che qui sotto vediamo in funzione, completa del suo display TFT touch screen:

Nella parte alta del quadro, invece, è collocata la barra DIN destinata a sorreggere l'hardware di alimentazione elettrica, ovvero:

• i connettori di raccordo con l'alimentazione di rete monofase a 230Vca 50Hz;
• il filtro antidisturbo EMI della stazione di misura;
• gli interruttori automatici magnetotermici da 2A (in curva C) per la protezione degli alimentatori della stazione.

Questi ultimi due componenti, oltre ad offrire opportuno sezionamento in caso di manutenzione, servono a proteggere dai cortocircuiti e dai sovraccarichi i seguenti componenti presenti all'interno del quadro:

• l'alimentatore da 70W con uscita 12VDC-5A destinato alla scheda EMS-PCB;
• l'alimentatore a 12VDC-3A destinato all'alimentazione del mini PC;

Sul fondo del quadro è posizionato il ventilatore di raffreddamento completo di filtro blocca polvere e il raccordo con i cavi di alimentazione elettrica e alla rete ethernet, mentre sul portello di chiusura e ispezione, trovano posto il filtro di scarico dell'aria di raffreddamento e il mini PC. Nell'insieme, pertanto, l'interno della stazione di misura si presenta così:

All'esterno del quadro plastico in ABS, rispettivamente sul fianco sinistro e destro, trovano posto i due hub di misura. Al loro interno sono installati rispettivamente: la sonda di misura della radioattività LND 7312 completa di alimentatore ad alta tensione AlphaTeo-3.0-Probe e i sensori meteorologici. Questi sono così suddivisi:

• Hub 1 o Hub Sx: misurazione del fondo naturale di radiazione;
• Hub 2 o Hub Dx: misurazione dei parametri meteo.

I dati registrati dalle stazioni di misura Teolab-1 e Teolab-2 EMS, vengono inviati alle pagine di www.radioattivitaferrara.it grazie alla mediazione del mini PC presente al loro interno. Su questo piccolo dispositivo, infatti, è installato il sistema operativo che permette al programma EMS-APP di ricevere i dati dalla scheda elettronica EMS-PCB, memorizzarli su disco e successivamente inviarli al sistema di controllo principale che provvede poi a renderli pubblici. L'interfaccia grafica di EMS-APP è mostrata di seguito:

Per ogni informazione sul progetto, contattare Matteo Negri all'indirizzo email: info@radioattivitaferrara.it 

NOTE IMPORTANTI:

E' importante specificare che le stazioni di misura del progetto www.radioattivitaferrara.it NON sono da considerarsi dispositivi nucleari e pertanto NON assorbono o emmettono alcuna radiazione pericolosa per l'ambiente o per la salute umana. Al loro interno, infatti, opera un normalissimo trasduttore elettronico in grado di rilevare la radioattività ambientale e di tramutarla in normali impulsi elettrici a bassa tensione, misurabili ed elaborabili da comunissimi dispositivi hardware dimensionati per lo scopo. Anche il generatore di alta tensione (500Vdc) presente nelle stazioni di misura per consentire il funzionamento del trasduttore elettronico di tipo Geiger-Müller, sviluppa una corrente elettrica di valori praticamente irrisori, impercettibili e dell'ordine di poche decine di nano Ampere (nA), quindi rientrante nella fascia di massima sicurezza per l'operatore anche qualora vi entrasse in contatto direttamente.

I dati pubblicati su questo sito web circa la radioattività ambientale locale rilevata dalle stazioni di misura Teolab-1 di Ferrara Nord e Teolab-2 di Ferrara Est, sono ottenuti con una strumentazione di misura di tipo amatoriale. Seppur progettata, costruita e programmata a regola d'arte, i dati conferiti al pubblico sono sempre da intendersi come corretti nei limiti teorici fornibili da un apparato elettronico di costruzione amatoriale. Lo staff di radioattivitaferrara.it, pertanto, non si assume nessuna responsabilità sull'affidabilità delle misure pubblicate dalle proprie stazioni di misura, nonché dell'uso o dell'interpretazione da parte di terzi che da queste potrebbero scaturire. In ultima analisi, le stazioni di misura Teolab-1 e Teolab-2 EMS, non intendono anteporsi ai dati ufficiali, per ottenere i quali, invece, è sempre necessario fare riferimento ai siti web istituzionali di ARPA (per l'Emilia Romagna), di ENEA, del CNR, dei Vigili del Fuoco, della Protezione Civile, dell'Università di Ferrara o altre fonti legalmente riconosciute per competenza dallo Stato Italiano.