ITBA20080046A1 - Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre - Google Patents
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Description
Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre
Forma oggetto del presente trovato un sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre basato su una infrastruttura di rete gerarchica organizzata su due livelli.
Allo stato della tecnica sono state rilevate diverse applicazioni in tema di sistemi wireless in genere, alcune inerenti lo standard di trasmissione ZigBee nell’ambito delle reti wireless PAN (Personal Area Network), altre inerenti a metodi tradizionali per il monitoraggio e controllo applicati alle serre.
Ad esempio il brevetto N. WO07148876 ha per oggetto un sistema per l'implementazione di una comunicazione a più livelli. Tale sistema comprende una pluralità di sistemi mobili, dotati di modulo ZigBee, attraverso i quali si può interagire avviando svariate tipologie di comunicazione (chat, chiamate vocali, sezioni di gioco).
Altro esempio è costituito dal brevetto N. WO08067764 nel quale si descrive un metodo, nonché il relativo sistema, per la gestione di una rete ZigBee. Il sistema comprende un dispositivo di rete ZigBee ed un database di informazioni per la gestione del dispositivo stesso. Attraverso canali comunicativi bidirezionali tra database e dispositivo di rete si possono predisporre le operazioni di gestione necessarie.
Altra applicazione degna di nota è quella relativa al brevetto N. US20080137572, avente come oggetto un sistema basato su standard ZigBee per il controllo di elettrodomestici. Attraverso la creazione di una WPAN (Wireless Personal Area Network) di sensori ZigBee è possibile il controllo da parte di un utente di una lista di elettrodomestici.
Nel brevetto N. WO8202816, invece, si ha un metodo “tradizionale” di monitoraggio della temperatura in una serra, in quanto non è previsto l’impiego di alcuna rete wireless, ma solamente una serie di accorgimenti tecnici per fare in modo che la temperatura desiderata non superi una fissata soglia.
Come si può evincere, lo stato della tecnica riguarda una serie di particolari applicazioni legate in gran parte all’utilizzo di reti wireless ZigBee soprattutto nel campo della comunicazione mobile.
Tuttavia non è stata data sufficiente importanza alla creazione di un sistema più complesso strutturato gerarchicamente attraverso l'integrazione di diverse tecnologie wireless (tra le quali lo standard ZigBee) ed applicato in particolar modo al monitoraggio e controllo delle condizioni microclimatiche delle serre.
Scopo del trovato oggetto, quindi, è realizzare un sistema per il monitoraggio delle condizioni microclimatiche all’interno di una serra ed il controllo automatico e/o remoto degli attuatori, utilizzati per intervenire opportunamente al verificarsi di eventuali situazioni dannose per le colture, basato su una infrastruttura di rete gerarchica organizzata su almeno due livelli.
In un’applicazione di monitoraggio dei parametri ambientali all’interno di una serra, infatti, 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.
E’ opportuno far notare che, nonostante le serre siano protette dagli agenti atmosferici esterni, senza un adeguato sistema di controllo è alquanto probabile il verificarsi all’interno di condizioni indesiderate: ad esempio 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, nonché la proliferazione di parassiti, il tutto con risultati devastanti per la produttività.
Tra le varie tecnologie di comunicazione wireless sorte nell’ultimo decennio in diversi campi, lo standard ZigBee (IEEE 802.15) senza dubbio 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 ed affidabilità. Tutte queste caratteristiche rendono detto standard di trasmissione ideale per la realizzazione di un sistema di monitoraggio distribuito.
Il sistema oggetto di invenzione prevede, infatti, al livello gerarchico più basso, una rete wireless, basata sullo standard ZigBee, composta da una unità centrale e da una pluralità di nodi periferici, mentre al livello gerarchico superiore è previsto l'impiego di un’interfaccia GPRS/UMTS di comunicazione con un server remoto di visualizzazione e memorizzazione dei dati rilevati e di controllo del sistema. In tale configurazione, l'unità centrale della rete rappresenta l’anello di congiunzione tra l’infrastruttura di primo livello (rete wireless ZigBee) e la connettività gerarchicamente superiore (interfaccia GPRS/UMTS).
I nodi periferici della rete wireless ZigBee preposti al controllo dei parametri ambientali all’interno della serra, presentano un’architettura progettata per ottenere la massima flessibilità nell’integrazione dei sensori: ciascun nodo, infatti, può gestire un numero variabile di sensori aventi caratteristiche differenti. A loro volta, detti sensori sono facilmente intercambiabili attraverso operazioni semplici, che possono essere eseguite anche da personale non specializzato meglio descritte successivamente. In ogni caso i parametri monitorabili attraverso i sensori previsti per il sistema sono:
<�>temperatura;
<�>umidità;
<�>velocità e direzione del vento;
<�>pH del terreno;
<�>radiazione solare PAR (Photosynthetically Active Radiation, radiazioni fotosinteticamente attive).
Inoltre è possibile integrare su ciascun nodo sensore, una fotocamera in grado di fornire, su richiesta dell’utente, istantanee della serra.
Il server remoto di controllo e gestione del sistema, invece, è un’applicazione software la quale, attraverso una intuitiva interfaccia utente, consente di:
<�>visualizzare, in tempo reale, lo stato di una o più serre;
<�>impostare i parametri di configurazione dei sistemi remoti;
<�>interagire con i sistemi remoti comandando direttamente gli attuatori presenti;
<�>memorizzare su file i dati rilevati dai sistemi.
Le operazioni appena elencate sono possibili mediante la connessione GPRS/UMTS con l’Unità Centrale, su protocollo TCP/IP. In particolare il server è concepito per fornire un servizio accessibile, attraverso opportune procedure di sicurezza, ai vari utenti accreditati, attraverso connessioni “client remote”.
La descrizione dettagliata dell’invenzione fa riferimento alle
<tavole allegate 1/2, 2/2. In particolare:>
� nella fig. 1 si mostra uno schema esemplificativo dell'intero
<sistema di controllo e monitoraggio wireless;>
<� nella fig. 2 si mostra l'architettura dell'unità centrale;>
� nella fig. 3 si mostra l'architettura di un nodo periferico; � nella fig. 4 si mostra un diagramma di flusso relativo alfunzionamento di un nodo periferico;
Con riferimento alle suddette figure, il sistema wireless di controllo e monitoraggio per serre è indicato con 1, i nodi sensore/attuatore appartenenti alla rete wireless ZigBee posti al primo livello gerarchico sono indicati con 2, l'unità centrale di elaborazione della rete è indicata con 3, mentre il server remoto di controllo è indicato con 4.
In fig. 2, è mostrato un diagramma a blocchi dell'architettura dell'unità centrale 3. Essa presenta un’architettura scalabile composta da una serie di moduli indipendenti, ciascuno dei quali implementa una delle varie funzionalità previste per il sistema:
<�>modulo ZigBee per la gestione dell'intera rete di nodi;
<�>modulo GPRS/UMTS per la gestione della comunicazione con un server remoto attraverso il protocollo TCP/IP;
<�>modulo GSM per consentire sia il controllo del sistema attraverso SMS da parte di uno o più telefoni cellulari (configurazione dei parametri di funzionamento, notifica di eventuali situazioni di allarme rilevate, invio su richiesta dei valori rilevati dai sensori), che l'inoltro di allarmi acustici verso una o più utenze telefoniche;
<�>modulo basato sul recente protocollo WiMAX da utilizzare qualora non sia disponibile una connessione GSM/GPRS/UMTS; tale modulo presenta il vantaggio di essere facilmente interfacciabile con il sistema, richiedendo solo l’inserimento in un alloggiamento predisposto ad hoc;
<�>modulo SD per la memorizzazione dello storico dei dati ricevuti dai sensori e degli interventi apportati sugli attuatori;
<�>modulo Bluetooth per permettere l'interazione con il sistema attraverso un dispositivo mobile (PDA, Smartphone, laptop) dotato di interfaccia Bluetooth;
<�>modulo LAN per la configurazione del sistema in locale e la visualizzazione dei dati provenienti dai sensori, attraverso un Web Server Embedded integrato;
<�>modulo LCD, costituito da un display LCD a colori con touch screen per la visualizzazione dello stato della serra e per il controllo in locale degli attuatori.
L'intera architettura appena descritta presenta una sostanziale modularità, ovvero consente di variare le caratteristiche di connettività secondo le esigenze dell'utenza, nonché della disponibilità locale di infrastrutture di comunicazione.
In fig. 3 è illustrata l'architettura dei nodi periferici, ovvero quelli appartenenti alla rete wireless collocata gerarchicamente al primo livello. Come si evince dalla fig. 3, tali nodi periferici presentano:
<�>una sezione ZigBee per la connessione radio con l'unità centrale;
<�>una sezione di elaborazione per la decodifica dei messaggi provenienti dall'unità centrale e per la gestione dei sensori e degli attuatori.
Inoltre, in relazione al ruolo assunto, detti nodi periferici saranno dotati di una o due sezioni supplementari:
<�>una sezione Sensori;
<�>una sezione Attuatori.
La Sezione Sensori può ospitare un sensore digitale CMOS di temperatura ed umidità relativa ed un massimo di 8 sensori analogici collegati agli 8 canali dell’ADC (con risoluzione di 12 bit) del microcontrollore centrale. Nella stessa sezione è presente la circuiteria di interfaccia, condizionamento ed adattamento dei segnali analogici.
La Sezione di Attuazione, invece, comprende un massimo di quattro uscite per il controllo di relay.
Così come già affermato in precedenza per l'unità centrale, anche l’architettura dei nodi periferici presenta evidenti caratteristiche di modularità e flessibilità. Infatti, essi possono essere configurati come:
<�>Nodo Sensore: rileva i parametri ambientali e, quindi, è equipaggiato con la sola Sezione Sensori;
<�>Nodo Attuatore: risponde ai comandi provenienti dall’Unità Centrale, pertanto è equipaggiato con la sola Sezione di Attuazione (Sezione Attuatori);
<�>Nodo Sensore/Attuatore: prevede le funzionalità sia del nodo sensore che del nodo attuatore, per cui è equipaggiato con entrambe le Sezioni;
<�>Nodo di instradamento: permette un ampliamento dell’area di copertura radio della rete, attraverso la definizione di percorsi alternativi di instradamento del segnale; come tale richiede una alimentazione esterna e può essere configurato con funzionalità di Sensore e/o Attuatore.
L’elettronica del nodo periferico è realizzata attraverso due schede separate: una motherboard con sezione radio e sezione di elaborazione ed una daughter board con sezione sensori e/o sezione di attuazione e memoria EEPROM di configurazione. Le due schede sono connesse tra loro attraverso un cavo piatto.
In tal maniera, è possibile variare i parametri da monitorare attraverso delle semplici operazioni:
<�>sostituzione della daughter board contenente i sensori;
<�>sostituzione o riprogrammazione della memoria EEPROM di configurazione.
Molto vantaggiosamente, per quanto riguarda la EEPROM, è possibile effettuare la riprogrammazione della EEPROM attraverso l’Unità Centrale, utilizzando la connettività ZigBee, senza dover accedere direttamente al dispositivo seguendo uno dei seguenti approcci:
<�>riprogrammazione in locale LAN, ovvero attraverso l’interfaccia LAN dell’Unità Centrale;
<�>riprogrammazione in locale BLUE, ovvero attraverso la sezione Bluetooth dell’Unità Centrale;
<�>riprogrammazione in remoto GPRS/UMTS/WiMAX, ovvero attraverso l’interfaccia GPRS/UMTS/WiMAX dell’Unità Centrale;
<�>riprogrammazione in remoto SMS, ovvero attraverso la sezione GSM dell’Unità Centrale.
Per ciascun nodo periferico è prevista la possibilità di utilizzare varie fonti di alimentazione, ovviamente a seconda della disponibilità. Nel caso in cui non sia presente una alimentazione esterna i dispositivi saranno alimentati attraverso due batterie di tipo AA con tensione di 1,5 V. Le batterie sono connesse in serie e, a partire dalla tensione di 3 V, sono generate sulla scheda 4 tensioni di riferimento per l’alimentazione dei vari dispositivi e sensori. Qualora sia presente una fonte di alimentazione esterna, i dispositivi saranno alimentati attraverso quest’ultima; mentre nel caso in cui sia disponibile esclusivamente la corrente alternata è previsto l’utilizzo di un trasformatore AC/DC.
Per sfruttare al meglio l’alimentazione a batterie sono state implementate alcune soluzioni di power management finalizzate all’ottimizzazione dei consumi energetici e all’incremento della autonomia dei nodi, come illustrato in fig. 4. I dispositivi permangono in uno stato di power down, caratterizzato da consumi di potenza estremamente ridotti per la maggior parte del tempo, attivandosi soltanto nell’intervallo strettamente necessario ad effettuare le rilevazioni ed inviarle all’Unità Centrale.
In aggiunta, è prevista una modalità di funzionamento nella quale, qualora il valore campionato dovesse avvicinarsi ad un valore di soglia, verrebbe automaticamente incrementata la frequenza di campionamento, rendendo più fitte le misure al fine di rilevare tempestivamente una condizione di allarme.
Per incrementare il livello di affidabilità del sistema è stato implementato un protocollo di sicurezza, il quale prevede che l’esecuzione di ogni comando inviato dall’Unità Centrale verso un Nodo Periferico, sia confermata da quest’ultimo attraverso un messaggio di ritorno inviato solo dopo aver verificato che il comando sia stato eseguito correttamente.
Il funzionamento del sistema nel suo complesso è strettamente connesso alle funzionalità di cui il sistema è stato dotato, ovvero le interfacce dell'unità centrale. Per quanto riguarda il controllo del sistema tramite SMS è consentita la registrazione di un solo utente con il permesso di interagire con il sistema. Tutti i messaggi SMS di controllo sono preceduti da una password di sicurezza, facilmente modificabile attraverso una semplice procedura, implementata ad hoc. E’ possibile anche variare in qualsiasi momento l’utente registrato abilitato al controllo, semplicemente mediante l'invio di un messaggio SMS, sempre preceduto dalla password di sicurezza.
La comunicazione con il server di controllo avviene attraverso lo scambio di opportuni messaggi, utilizzando due porte TCP/IP: una per i messaggi in ingresso, l’altra per i messaggi in uscita.
L'utente, attraverso una delle interfacce dell’Unità Centrale (LAN, BLUE, GPRS/UMTS/WiMAX, SMS), ha la possibilità di:
<�>settare le soglie di attenzione per ciascuno dei sensori presenti;
<�>variare gli intervalli di campionamento delle grandezze da monitorare per ciascun nodo;
<�>variare il numero di misure fuori soglia consecutive che ciascun sensore deve registrare prima della generazione di un allarme;
<�>programmare le EEPROM di configurazione;
<�>impostare i parametri di funzionamento del sistema:
◦ indirizzo IP del server di comunicazione;
◦ porte di comunicazione del server;
◦ numero di telefono dell’utente registrato, abilitato al controllo;
◦ numeri di telefono a cui inviare eventuali messaggi e/o chiamate di allarme;
◦ indirizzo Bluetooth del dispositivo mobile associato. È prevista per il sistema anche una modalità di funzionamento definita di “Offline” che si potrebbe verificare nel caso di momentanea mancanza di comunicazione con il Server Remoto (dovuta ad esempio ad una perdita di copertura del segnale GPRS/UMTS o ad un problema legato al software del Server). Secondo detta modalità i dati sono memorizzati in locale su un supporto di memoria di tipo Secure Digital (SD), in attesa di essere in seguito trasmessi al server quando si sarà ripristinata la connessione.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) comprendente ad un primo livello gerarchico una pluralità di nodi periferici (2) basati su standard IEEE 802.15.4 (ZigBee) e una unità centrale di elaborazione (3) mentre, ad un livello gerarchico superiore, comprende un’interfaccia GPRS/UMTS di comunicazione con un server remoto (4) di visualizzazione e memorizzazione dei dati rilevati nonché di controllo del sistema, essendo l'unità centrale della rete (3) l’anello di congiunzione tra l’infrastruttura di primo livello (rete wireless ZigBee) e la connettività gerarchicamente superiore (interfaccia GPRS/UMTS).
- 2) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’unità centrale di elaborazione della rete (3) presenta un’architettura scalabile comprendente una serie di moduli indipendenti, ciascuno dei quali implementa una delle varie funzionalità<previste per il sistema:> <� modulo ZigBee per la gestione dell'intera rete di nodi;>� modulo GPRS/UMTS per la gestione della comunicazione<con un server remoto attraverso il protocollo TCP/IP;> � modulo GSM per consentire sia il controllo del sistema attraverso SMS da parte di uno o più telefoni cellulari (configurazione dei parametri di funzionamento, notifica di eventuali situazioni di allarme rilevate, invio su richiesta dei valori rilevati dai sensori), che l'inoltro di allarmi acustici<verso una o più utenze telefoniche;> � modulo basato sul recente protocollo WiMAX da utilizzare qualora non sia disponibile una connessione GSM/GPRS/UMTS; tale modulo presenta il vantaggio di essere facilmente interfacciabile con il sistema, richiedendo solo l’inserimento in un alloggiamento predisposto ad hoc;� modulo SD per la memorizzazione dello storico dei datiricevuti dai sensori e degli interventi apportati sugli<attuatori;> � modulo Bluetooth per permettere l'interazione con ilsistema attraverso un dispositivo mobile (PDA,<Smartphone, laptop) dotato di interfaccia Bluetooth;> � modulo LAN per la configurazione del sistema in locale e la visualizzazione dei dati provenienti dai sensori, attraverso<un Web Server Embedded integrato.> � modulo LCD, costituito da un display LCD a colori con touch screen per la visualizzazione dello stato della serra e per il controllo in locale degli attuatori.
- 3) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i nodi periferici (2) posti gerarchicamente nella rete wireless al primo livello presentano un’architettura secondo lo schema in fig. 3 secondo il quale dispongono di una sezione ZigBee per la connessione radio con l'unità centrale e di una sezione di elaborazione per la decodifica dei messaggi provenienti dall'unità centrale e per la gestione dei sensori e degli attuatori.
- 4) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) secondo le rivendicazioni 1 e 3, caratterizzato dal fatto che detti nodi periferici (2) possono essere configurati come:� Nodo Sensore per il rilevamento dei parametri ambientali <desiderati;> � Nodo Attuatore per l’attuazione dei comandi di controllo<provenienti dall’Unità Centrale;> � Nodo Sensore/Attuatore per ottenere le funzionalità sia del <nodo sensore che del nodo attuatore;> � Nodo di instradamento per consentire l’ampliamento dell’area di copertura radio della rete, attraverso la definizione di percorsi alternativi di instradamento del segnale.
- 5) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) secondo le rivendicazioni 1, 3 e 4 caratterizzato dal fatto che l’elettronica del nodo periferico è realizzata attraverso due schede separate interconnesse tra loro: una motherboard con sezione radio e sezione di elaborazione ed una daughter board con sezione sensori e/o sezione di attuazione e memoria EEPROM di configurazione.
- 6) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) secondo la rivendicazione 1 e da 3 a 5 caratterizzato dal fatto che è possibile variare i parametri da monitorare per mezzo dei nodi periferici (2) sostituendo la daughter board contenente i sensori e sostituendo o riprogrammando la EEPROM attraverso una delle interfacce dell’Unità Centrale (LAN, BLUETOOTH, GPRS/UMTS, SMS), utilizzando la connettività ZigBee.
- 7) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) secondo la rivendicazione 1 e da 3 a 6 caratterizzato dal fatto che l’esecuzione di ogni comando inviato dall’Unità Centrale verso un Nodo Periferico sia confermata da un messaggio di ritorno solo dopo aver verificato che il comando sia stato eseguito correttamente.
- 8) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) secondo la rivendicazione 1 e da 3 a 6 caratterizzato dal fatto che l’alimentazione dei nodi periferici può avvenire per mezzo di una alimentazione esterna o, nel caso non vi fosse disponibilità, attraverso due batterie di tipo AA con tensione di 1,5 V. Nell’eventualità di alimentazione in corrente alternata è previsto l’utilizzo di un trasformatore AC/DC.
- 9) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che al fine dell’ottimizzazione dei consumi energetici e dell’incremento della autonomia dei nodi (2) , è prevista una soluzione di power management, nella quale i dispositivi permangono in uno stato di power down, caratterizzato da consumi di potenza estremamente ridotti per la maggior parte del tempo, attivandosi soltanto nell’intervallo strettamente necessario ad effettuare le rilevazioni ed inviarle all’Unità Centrale, come mostrato nel diagramma in fig. 4.
- 10) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la comunicazione con il server di controllo (4) avviene attraverso lo scambio di opportuni messaggi utilizzando il protocollo TCP/IP, permettendo all’utente in tal modo, attraverso una delle interfacce dell’Unità Centrale (LAN, BLUE,<GPRS/UMTS/WiMAX, SMS), di:> � settare le soglie di attenzione per ciascuno dei sensori<presenti;> � variare gli intervalli di campionamento delle grandezze da<monitorare per ciascun nodo;> � variare il numero di misure fuori soglia consecutive checiascun sensore deve registrare prima della generazione di<un allarme;> <� programmare le EEPROM di configurazione;> � impostare i parametri di funzionamento del sistema.
- 11) Sistema wireless di monitoraggio e controllo per serre (1) secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che qualora si dovesse verificare una mancanza di comunicazione con il server remoto (4) è prevista una modalità di funzionamento “offline” secondo la quale i dati sono memorizzati in locale su un supporto di memoria di tipo Secure Digital (SD) in attesa di essere in seguito trasmessi al server quando una volta ripristinata la connessione.
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