Nascita di un progetto
Negli ultimi anni, l'incertezza geopolitica che interessa i confini orientali dell'Unione Europea ha portato in risalto mediatico, dopo tanti anni di silenzio, l'argomento spinoso relativo al rischio di un nuovo incidente nucleare a ridosso delle nostre porte. Evitando volutamente di entrare nel merito di ciò che ha scaturito quanto sta accadendo, lasciando così ogni polemica ad altra sede, questi fatti hanno inevitabilmente acceso ancora una volta nella popolazione la grande preoccupazione sui pericoli derivati da un'improvvisa emergenza nucleare che potrebbe tragicamente interessarci.
Per chi ha vissuto in modo diretto l'incubo di Chernobyl, seppur da bambino e con la consapevolezza che la tenera età poteva concedere a quei tempi, ricorderà benissimo cosa accadde in quei travagliati giorni. Il nostro Paese fu interessato come molti altri del quadro europeo, dal fallout radioattivo proveniente dall'Ucraina, che all'epoca dei fatti narrati, era ancora una repubblica confederata dell'ex Unione Sovietica. Un reattore nucleare appartenente alla centrale elettronucleare "Vladimir Il’ič Lenin" era esploso a causa di un errore umano (ma questo lo si seppe solo dopo molto tempo), disperdendo in atmosfera, con un vasto incendio durato giorni, gran parte del combustibile nucleare che conteneva. I venti primaverili che spiravano verso occidente poi, contribuirono a distribuire gran parte delle polveri radioattive verso i paesi limitrofi interessando, purtroppo, anche i nostri spazi nazionali.
L'incertezza che imperversò nelle popolazioni di mezza Europa in quei giorni, era derivata in gran parte all’imprevedibilità dell’evento, dall’impossibilità di contenerlo, ma soprattutto di valutare accuratamente il grado di contaminazione in corso e i danni che da questa sarebbero scaturiti a breve e a lungo termine. All’epoca dei fatti, parliamo dell’aprile del 1986, i contatori Geiger-Muller e gli scintillatori, non erano strumenti facilmente reperibili sul mercato e il loro utilizzo, rimaneva pertanto precluso ai soli addetti al lavoro degli enti statali preposti. Del pericolo intrinseco derivato dalle radiazioni poi, la gente comune ne sapeva ben poco e tutta la conoscenza che si poteva attingere in quei giorni, derivava principalmente dai servizi trasmessi alla TV. Fortunatamente le autorità italiane fecero un ottimo lavoro di divulgazione, attuando non solo un'accurata analisi delle aree a rischio del nostro paese, ma anche un'imponente campagna di informazione radicale, atta a mettere in guardia le persone sui pericoli derivati dal restare all'aperto, sotto la pioggia o del cibarsi di latte, carne o ortaggi che potevano risultare contaminati dal fallout che era purtroppo in corso. Tuttavia, l'apprensione che attanagliò le persone in quei giorni, assunse valori di non poco conto, costringendo chiunque a fare i conti con un'entità ostile e invisibile, persi nella totale impossibilità di valutare personalmente il pericolo circostanziale. Anche in questi ultimi anni dove i fatti che giungono dai confini orientali del nostro continente, sono tutto fuorché rassicuranti, si nota nelle persone una certa apprensione e insicurezza, dettata soprattutto dall'impossibilità di accedere a dati di monitoraggio della radioattività ambientale locale in modo costante e dalla complessità delle misure che è necessario compiere per delineare un quadro generale e attendibile di un'eventuale contaminazione d'area. Ho creato per questo il progetto di www.radioattivitaferrara.it che attraverso una centralina di misurazione amatoriale, dotata di misuratori Geiger-Müller di ultima generazione, permette di rilevare i valori di radioattività ambientale che interessano la città di Ferrara, pubblicando ogni minuto sul web i dati aggiornati, per una facile, rapida e gratuita consultazione del pubblico.
Principi di funzionamento delle stazioni
La stazione di controllo ambientale che ho creato, denominata Teolab-1 EMS nasce con l'intento di creare una stazione di misura e acquisizione automatica del fondo naturale di radiazione nella città di Ferrara. La stazione del progetto è attiva 24h su 24, 7 giorni su 7 e per 365 giorni all'anno, il tutto con un minimo di intervento manutentivo da parte mia. La stazione di rilevamento è posizionata presso il paese di Pontelagoscuro (sulle rive del fiume Po e a circa 4 km a nord della città di Ferrara), all'interno di un'area privata (il progetto è autofinanziato dal sottoscritto e non occupa suolo pubblico) e il fondo naturale è campionato attraverso un apposito algoritmo statistico che permette di avere sempre dati affidabili e utilizzabili anche a livello scientifico per le opportune analisi.
Le stazione di controllo ambientale Teolab-1 svolge pertanto le seguenti funzioni:
♦ raccoglie dati giornalieri del fondo naturale di radiazione, campionandone l'entità con sessioni di acquisizione minime di un minuto;
♦ con la stessa cadenza temporale acquisisce i dati meteorologici relativi alla zona di campionamento della radioattività, come: temperatura, umidità relativa, dew point e pressione atmosferica;
♦ memorizza tutte le grandezze fisiche rilevate per creare un local storage temporale dell'andamento generale del fondo naturale di radiazione;
♦ formatta i dati acquisiti per inviarli poi successivamente al portale www.radioattivitaferrara.it;
♦ allerta via email il sottoscritto, 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 la 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: 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 dei 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 della 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.
Come funziona la stazioni di misura?
La stazione di misura Teolab-1 EMS funziona grazie a un apposito hardware opportunamente progettato, costruito e programmato dal sottoscritto. La scheda elettronica EMS-PCB, infatti, nasce proprio dall'esperienza che ho maturato negli anni con la realizzazione dei miei misuratori Geiger, alcuni dediti al rilevamento del fondo naturale di radiazione, altri installati in veri e propri strumenti di misura portatili (AlphaTeo), altri costruiti per il rilevamento dei raggi cosmici nella stratosfera terrestre (progetto HADARP). 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.
La stazione di misura del progetto www.radioattivitaferrara.it pertanto, ospita al suo interno una sofisticata circuiteria di misura e controllo derivata da queste importanti esperienze. Per garantire nel tempo misure affidabili, il progetto integra un tubo Geiger-Müller pancake ad alte prestazioni, costruito dall'azienda americana LND inc in Long Island (New York - USA), denominato LND7312. Questa sonda è conosciuta nel mondo proprio per le ottime performance che la caratterizzano, derivate da una qualità progettuale degna di nota 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 avente diametro di 45 mm, 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 spesso non si conoscono entità e caratteristiche emissive ...
Per operare al meglio la sonda LND 7312 necessita di un generatore d'alta tensione stabile e affidabile (anche in corrente) e che permetta di disporre dei valori anodici previsti dal costruttore, ovvero: 500 VCC. Questa tensione una volta applicata agli appositi elettrodi che costituiscono il sensore, permette il rilevamento della radioattività in modo costante nel tempo, mantenendo il sensore al centro del corridoio di linearità durante le sessioni di misurazione. L'ottima prestazione del generatore di alta tensione prescelto, pertanto, permette di fornire alla sonda tutto l'apporto elettrico necessario, che deve tradursi in una buona risposta nel rilevamento del carico radioattivo incidente e possibilmente, contenere lo sviluppo di rumore elettrico di fondo, piaga che tanto caratterizza gli strumenti entry level presenti sul mercato, limitatandoli drasticamente nella qualità percettiva e nella precisione delle letture acquisite.
Per far fronte a questi indiscutibili propositi pertanto, in fase progettuale ho scelto di integrare nella stazione di misura un alimentatore ad alta tensione che ha dimostrato più volte di possedere tutte le caratteristiche di alta affidabilità richieste. Progettato, costruito dal sottoscritto e utilizzato con successo sia nei voli nella stratosfera terrestre, sia nel progetto AlphaTeo, AlphaTeo-3.0-Probe è un piccolo convertitore DC/DC che ha già più volte dimostrato di avere stabilità e affidabilità garantita nel tempo. Questo piccolo PCB è costituito da:
♦ un DC/DC converter che eleva la tensione di alimentazione di 3,3VCC fornita dalla scheda principale EMS-PCB a ben 500 VCC per la sonda di misura, mantenendo i parametri prefissati in uscita, anche durante variazioni dei parametri ambientali estremi (umidità e temperatura);
♦ 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 al microcontrollore gestionale;
♦ un connettore RJ45 per il raccordo con la scheda principale di controllo.
Per limitare al minimo l'entità della caduta di tensione anodica della sonda, 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.
Per rilevare i dati meteorologici del luogo di campionamento, invece, ho inserito nel progetto sensori noti per la loro semplicità di interfacciamento con i più comuni microcontrollori esistenti sul mercato e per la loro più che discreta precisione.
Nella stazione Teolab-1 EMS, pertanto, trovano 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.
Ho previsto inoltre che alla scheda EMS-PCB, 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 per la valutazione dei mm caduti di pioggia (attivo a breve).
Ho deciso di dotare la scheda EMS-PCB anche di due Mikrobus socket, che permette di integrare facilmente altri importanti sensori al progetto, 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 ...
Attraverso il Mikrobus socket, inoltre, è possibile integrare:
♦ un controller WiFi;
♦ un controller Ethernet;
♦ un controller Blutooth;
♦ tanto altro ancora ...
Ad eccezione del DS18B20 che per ovvie ragioni è collocato all'interno del quadro elettrico della stazione di misura (per acquisire la temperatura della strumentazione e armare 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 dell'intera stazione di misura.
La scheda di controllo EMS-PCB
La scheda di controllo EMS-PCB rappresenta il cuore della stazione di misura Teolab-1 EMS. L'ho progettata e programmata con l'intento di renderla completamente indipendente nella gestione dei processi di misura, nel controllo dell'intero pacchetto sensoristico e nelle comunicazioni con il mini PC esterno. Per eseguire queste importanti funzioni, ho affidato la supervisione generale a un microcontrollore Microchip a 8 bit, denominato PIC18F87K22. Conosciuto nell'ambiente per essere una MCU dalle ottime prestazioni (oltre ad avere un oscillatore 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, che ho provveduto a scrivere e compilare con il MikroC di MikroE.
La scheda nel suo insieme ha 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.
Il quadro di controllo delle stazioni Teolab EMS
Ho provveduto a collocare l'intero sistema di misura che caratterizza la stazione di misura Teolab-EMS 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, ho collocato la scheda EMS-PCB che, nella foto sottostante, è possibile vedere in funzione completa di display TFT touch screen:
Nella parte alta del quadro, invece, ho collocato la barra DIN destinata a sorreggere l'hardware di alimentazione, 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 componenti presenti all'interno del quadro, funzionanti con la tensione di rete a 230VAC. Questi sono:
♦ 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, invece, ho posizionato il ventilatore di raffreddamento completo di filtro per la polvere, nonché il raccordo con i cavi di alimentazione elettrica a 230VAC e la rete ethernet. Sul portello di chiusura e ispezione, invece, ho collocato 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, ho installato i due hub di misura. Al loro interno ho collocato rispettivamente: la sonda di misura della radioattività LND 7312 completa di alimentatore ad alta tensione AlphaTeo-3.0-Probe e i sensori meteorologici, 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 dalla stazione di misura Teolab-1 EMS, vengono inviati alle pagine del portale www.radioattivitaferrara.it tramite la supervisione di un mini PC presente al suo 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, archiviarne lo storico su disco e successivamente inviarli al portale web che provvede a renderli pubblici. EMS-APP si mostra così:
NOTE IMPORTANTI SUL PROGETTO
E' importante specificare che la stazione di misura del progetto www.radioattivitaferrara.it NON è da considerarsi un dispositivo nucleare e pertanto NON assorbe o emmette alcuna radiazione pericolosa per l'ambiente o per la salute umana. Al suo 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 appositamente dimensionati per lo scopo. Anche il generatore di alta tensione (500VCC) 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 sul sito web www.radioattivitaferrara.it circa la radioattività ambientale locale rilevata dalla stazione di misura Teolab-1 EMS, 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. Il sottoscritto, pertanto, non si assume nessuna responsabilità sull'affidabilità delle misure pubblicate dalla propria stazione di misura, nonché dell'uso o dell'interpretazione da parte di terzi che da queste potrebbero scaturire. In ultima analisi, i dati provenienti dalla stazione di misura Teolab-1 EMS, non intendono anteporsi a quelli 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.