di G.Vitali ed E.Magnanini
Lo stato di un Sistema quale l'atmosfera, è in generale il valore dei parametri che lo caratterizzano in ogni punto. Le grandezze meteorologiche più diffusamente misurate sono Temperatura e Piovosità: per questo ci concentreremo unicamente su di esse.
Una stazione meteo (ovvero metereologica) è un piccolo impianto dotato di dispositivi in grado di misurare e registrare (ed eventualmente trasmettere) informazioni sullo stato dell'atmosfera allo scopo di ricostruirne ed analizzarne gli andamenti.
Misurare significa codificare uno stato tramite uno strumento di misura allo scopo di attribuirgli una grandezza identificata da un valore (cui è tipicamente associato un errore ) ed una unità di misura . Lo strumento di misura il cui cuore è dato da un trasduttore ovvero un dispositivo che trasforma la grandezza originaria in una nuova grandezza più facilmente misurabile (es.in una bilancia meccanica la molla trasforma un peso in un angolo). I moderni apparecchi di misura fanno uso di sensori che trasformano la grandezza originaria in una grandezza elettrica (es.tensione, corrente).
Due operazioni fondamentali stanno alla base di una misurazione corretta: lacalibrazione e la taratura.
La taratura riguarda la determinazione della relazione tra le due grandezze su cui opera il trasduttore, quella che vogliamo osservare e quella realmente misurata: si tratta di costruire una curva che permette di ottenere il valore della grandezza misurata (es.temperatura) a partire da quella restituita dal trasduttore (es.tensione elettrica). Solitamente la curva è una retta ottenibile anche solo misurando 2 punti di cui siano note le grandezze in corrispondenza di due stati limite: osservare le tensione del circuito sopra descritto V1 e V2 a temperature (osservate con un termometro affidabile) T1=10° e T2=90° permettono di ottenere una curva di taratura sufficientemente valida per effettuare misure nell'intervallo di Temperatura 10-90°C).
La calibrazione e' una procedura volta ad aumentare l'accuratezza della misura, orientata ad ottenere dallo strumento valori ripetibili (e quindi attendibili): es.la fase di intonazione degli strumenti musicali che precede l'esecuzione di un brano.
Registrare un dato significa scriverlo su un supporto fisico (es.cartaceo, magnetico, chiavetta USB) che ne possa assicurare una leggibilita duratura nel tempo. Registrare significa anche misurare un'altra grandezza fisica, il tempo, vale a dire il momento del rilievo. Pertanto, il tempo deve essere inequivocabilmente associato alle altre misure. La registrazione può essere di tipo analogico (come nel caso dei termografi che registrano il valore tracciando una linea su un foglio di carta graduato posto su un tamburo rotante) o digitale ,in questo caso, la misura va discretizzata cosi come il tempo. La discretizzazione di un segnale elettrico proveniente da un sensore e' compiuta da un circuito denominato convertitore Analogico-Digitale (A/D), questo restituisce un valore numerico composto da un certo numero di bit ben definito che ne determina la precisione. Convertitori A/D da 2^10 si possono ritenere sufficienti per campionare dati metereologici
La discretizzazione pernette anche l'elaborazione del dato da parte di un microprocessore e tramite questo e' possibile registrare i valori ad intervalli scelti secondo criteri che tengono conto non solo della disponibilita' di memoria ma anche di altri fattori come la precisione e l'intensita' dei disturbi. Da un numero elevato di osservazioni realizzato in un certo intervallo di tempo e' sempre possibile derivarne una parte in un intervallo convenientemente definito. Tra le grandezze osservate fanno eccezione quelle il cui l'apparato di misura è un contatore, come vedremo essere utilizzato nella costruzione del pluviometro.
La temperatura di un gas si può misurare ponendo in un punto prescelto e rappresentativo, un sensore di Temperatura , ad esempio un Termistore, ovvero una resistenza elettrica il cui valore dipende dalla sua temperatura che supporremo si equilibri rapidamente con quella dell'ambiente circostante. Il termistore sottoposto ad una differenza di potenziale costante e' percorso da una corrente che dipende dalla sua Resistenza (legge di Ohm). Se ora in serie col Termistore poniamo una resistenza normale con un valore simile a quello del termistore, (poco sensibile alla Temperatura) ai capi del termistore osserveremo una tensione che dipenderà dalla corrente e quindi dalla sua temperatura. La Temperatura, espressa in gradi Centigradi, sara' ottenuta applicando la funzione di taratura determinata in fase di calibrazione e taratura, alla tensione misurata ai capi del termistore.
I pluviometri comunemente utilizzati fanno uso della tecnica della bascula: due vaschette unite sono montate in equilibrio instabile su un perno. Quando piove le vaschette si riempiono alternativamente sbilanciando il sistema. L'acqua in una delle due vaschette raggiunge una quota limite, sbilancia il sistema portando a svuotare questa vaschetta che contemporaneamente lascia il posto all'altra. Lo riempimento avviene attraverso un imbuto, mentre alla bascula è associato un contatore, per cui la pioggia è calcolata a partire dal numero di basculate. La conversione in altezza di pioggia (mm) è ottenuta attraverso una taratura che prevede la valutazione del volume delle vaschette in rapporto all'area del raccoglitore.
La centralina possiede un'unità di controllo (controller )in cui risiede un programma composto da un insieme di istruzioni (programma ) che prevedono l'acquisizione dei segnali elettrici provenienti dai trasduttori, l' elaborazione, registrazione ed eventualmente la trasmissione dei dati. Le elaborazioni effettuate sono la conversione con i parametri di taratura, calcolo dei valori medi, individuazione delle massime e delle minime ed il calcolo di eventuali altri indici statistici, non ultimo l'associazione dei dati a quelli del tempo del momento del rilievo. In generale il controller può anche generare una serie di uscite in grado di governare dispositivi esterni, in particolare quelli usati per la trasmissione dei dati.
Arduino è il nome di una famiglia dipiastre circuitali o boards provviste di controller , tutte dotate di un certo numero di ingressi su cui collegare dei segnali elettrici, connessi ad un convertitore A/D che rovvede alla digitalizzazione, alcune porte digitali per l'input o output di segnali del tipo acceso/spento.
L'interfaccia USB permette all'utilizzatore di trasferire il programma di gestione della centralina compilato su un qualsiasi PC e scritto in linguaggio (Processing, derivato da C++) nonché ricevere i dati acquisiti.
Arduino si è diffuso per la semplicità d'uso ed il basso costo.
Questo progetto fa uso di Arduino UNO. Le boards Arduino si attivano appena alimentate, cosa che avviene appena si collegano con l'USB al PC oppure attraverso l'apposito connettore (cui è possibile collegare una batteria).
Questo significa che il programma posto al suo interno viene eseguito dal momento in cui si alimenta il microcontrollore e si arresta appena si toglie l'alimentazione.
Il costruttore distribuisce UNO senza alcun programma all'interno, quindi anche se alimentato non e' in grado di legge segnali e non imposta nessuna uscita fino a che l'utente non inserisce un programma che specifichi le attività da svolgere.
Sono disponibili sia lo schema elettrico che lo schema dei collegamenti.
Per i collegamenti si è fatto uso di una BreadBoard che permette di evitare saldature. Per la realizzazione degli schemi si è invece fatto uso dell'applicativo Fritzing (free) ampiamente utilizzato dalla comunità Arduino.
Il Sensore della Temperatura è realizzato con un termoresistore (tipo NTC) in serie ad una resistenza da 10KOhm.
** Il pluviometro** invece fa uso invece di un interruttore magnetico reed e può essere costruito facendo uso di questo schema costruttivo.
Il programma deve misurare regolarmente e registrare la temperatura dell'aria ad intervalli regolari: i valori sono ottenuti elaborando i primi.
Il rilievo della pioggia può essere eseguito sommando le basculate sullo stesso interevallo di registrazione delle temperature oppure registrando invece l'orario della basculata.
I dati vengono registrati in una memoria ciclica, in modo da conservare sempre i dati più recenti.
Arduino UNO non ha un orologio interno per cui il timer interno andrà impostato al momento dell'attivazione del programma e ad ogni contatto (scarico dei dati).
Il programma deve anche gestire un protocollo di dialogo col PC tramite periferica USB con cui gestire la sincronizzazione dell'orologio e gestire la trasmissione dei dati.
Il programma va dapprima verificato quindi, dopo aver connesso Arduino al PC tramite USB, inviato ad Arduino.
Sui web-forum su Arduino sono disponibili numerosi esempi di codice da assemblare per gli scopi descritti.
Il materiale può essere acquistato via inernet o in negozi specializzati di elettronica e ferramenta. Per la realizzazione del telaio del pluviometro sono stati utilizzati materiali di recupero anch'essi facilmente reperibili in ipermercati di hardware con un costo di intorno ai 10€.
Gli autori non si assumono alcuna responsabilità sull'utilizzo della nota che non da garanzia di funzionamento del sistema ne di affidabilità dei dati ottenuti, la quale può dipendere dalla qualità dei materiali utilizzati e dalle capacità di interpretare e realizzare il progetto da parte del lettore.
