Progettazione di una stazione anemometrica: aspetti software

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vedere pure le storico) e ad un costo minore. Il servizio adesso sarà fruibile da 
qualsiasi utente anche via Internet mediante un server casalingo. 
La prima parte della tesi si occupa della descrizione della struttura generale del 
nostro progetto di stazione anemometrica e delle scelte progettuali effettuate per 
ottenere le specifiche tecniche che ci interessavano. Nel primo capitolo vengono 
anche presentati sommariamente tutti i singoli componenti hardware usati. Nel 
secondo capitolo viene presentata la logica digitale programmabile CPLD 
utilizzata nel progetto e descritti brevemente i vantaggi del linguaggio di 
descrizione hardware VHDL. Nel capitolo successivo, il terzo, viene esposta nel 
dettaglio la struttura dell‟hardware di trasmissione dei segnali, blocco per blocco, 
implementata sulla logica programmabile CPLD mediante il linguaggio di 
descrizione hardware VHDL. Nel quarto capitolo invece si descrive la parte di 
ricezione del progetto, infatti si analizza nel dettaglio il programma, scritto in 
Visual Basic, di ricezione e decodifica dei segnali audio inviati dalla scheda 
CPLD. Il quinto capitolo si occupa della parte di pubblicazione su Internet dei dati 
arrivati via radio dalla stazione anemometrica. Il tutto viene eseguito mediante 
l‟esecuzione di pagine ASP su un webserver collegato ad Internet 24h/24h 
mediante una connessione ADSL. Nel sesto capitolo vengono spiegati i test 
eseguiti in laboratorio ed i risultati finali ottenuti sul campo. Nel penultimo 
capitolo, il settimo, sono riportate le caratteristiche ed i requisiti tecnici del 
progetto, insieme ad una tabella con il dettaglio dei costi sostenuti. Nell‟ultimo 
capitolo, l‟ottavo, invece si descrive a grandi linee gli sviluppi futuri del progetto, 
soprattutto incentrati sull‟ampliamento della sensoristica presente e sulle migliorie 
da apportare per diminuire gli effetti di alcuni disturbi esterni.  
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Capitolo I 
Struttura generale 
 
In questo capitolo verrà descritta la struttura generale della nostra stazione 
anemometrica, spiegando anche sommariamente i singoli componenti usati, e le 
scelte progettuali prese. 
 
1.1 Scelte progettuali e schema generale 
 
Per poter generalizzare il più possibile l‟uso della nostra apparecchiatura (vedi 
figura 1.1) abbiamo dovuto compiere una serie di scelte progettuali ben precise, 
dovute alla particolarità del luogo in cui il nostro progetto deve operare. 
Dato che l‟apparecchiatura (vedi figure 1.2-1.3) si trova in un luogo in cui non è 
presente la rete elettrica, le nostre scelte sono state 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 dato che di notte l‟acquisizione dati aveva poco senso, per 
evitare uno spreco della carica immagazzinata nella batteria tampone, abbiamo 
usato un timer che a riposo consuma pochissimo e che serve per accendere e 
spegnere l‟apparecchiatura in certe fasce orarie programmabili (fino a 20 
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 di 3 m, in una posizione non coperta, in cui non ci 
fossero delle perturbazioni del flusso ventoso, per evitare rilevazioni errate. 
La misurazione della temperatura è indispensabile per conoscere i gradienti 
termici verticali fra pianura e posto di decollo, che sono indicatori di eventuali 
correnti ascensionali utili per un volo più sicuro e divertente. Per la sua 
misurazione abbiamo scelto di usare una semplice termoresistenza NTC 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 ).  
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Figura 1.1: vista frontale, laterale e posteriore della stazione anemometrica. 
 
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. 
Nell‟installazione della sonda termica abbiamo seguito alcuni semplici 
accorgimenti, ricordando che il valore di temperatura misurata può essere 
influenzato da una installazione inaccurata: 
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1) il sensore è stato collocato in una zona ombreggiata dove non riceve la luce 
diretta del sole (onde evitare fenomeni di riscaldamento dovuto ad 
irraggiamento); 
2) il sensore si trova al riparo da pioggia o vento, ma in una zona nella quale 
l‟aria è libera di circolare; 
3) il sensore è collocato all‟interno della scatola, lontano da fonti di calore che 
potrebbero falsare la misura. 
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 LPD in commercio con una portata compresa di 
circa 3 Km, già possedute da un autore della tesi, mettendo quella con un 
consumo più basso in trasmissione in cima al monte ed inviando i segnali nella 
normale banda audio delle ricetrasmittenti. 
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. 
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La parte di ricezione è composta da una delle radio, alimentata dalla rete 
elettrica, 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 6.0 (in seguito denominato “Anemometro 1.0”) per la decodifica 
dei dati inviati dalla stazione anemometrica mediante l‟analisi dello spettro mobile 
del segnale. In questa scelta risiede la modularità 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 “Anemometro 1.0” vengono inseriti in 
un normalissimo database Access e vengono visualizzati a schermo tramite dei 
grafici temporali. In questo modo è possibile comprendere agevolmente 
l‟andamento giornaliero delle condizioni del vento ed anche eseguire 
manualmente delle previsioni a breve termine. 
Il database è condiviso in un webserver (tramite un PC connesso 24h su 24h ad 
internet) e quindi i dati, insieme ai grafici temporali, sono disponibili on- line per 
qualsiasi persona vo glia usufruirne. In questo modo possiamo allargare l‟utenza 
che può usufruire di questo servizio di monitorizzazione dati, svincolandoci dal 
problema della distanza massima a cui si possono ricevere i dati direttamente via 
radio. Comunque fra gli sviluppi futuri ci potrebbe essere anche l‟uso di un 
modulo, per poter collegare un cellulare al PC, che servirà per inviare, come nella 
precedente apparecchiatura, dei messaggi vocali con i dati via GSM (Global 
System for Mobile communications). 
All‟utente ultimo, che usufruirà del servizio, è richiesto: 
 ξ PC con Processore Intel Pentium III o superiore, scheda audio con microfono 
o ingresso audio, O.S. Windows 98 o superiore, cavetto di collegamento con 
jack 3,5” stereo maschio-maschio; 
 ξ radio LPD (già posseduta da molti piloti di volo libero); 
 ξ essere nel raggio di azione della trasmissione radio; 
 ξ collegare la radio, tramite il cavetto di collegamento in dotazione, all‟ingresso 
audio del PC, o avvicinare l‟altoparlante della radio stessa ad un microfono 
collegato al PC, senza usare il cavetto di collegamento (questa soluzione però 
necessita di un microfono ed è una soluzione molto meno affidabile);  
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 ξ eseguire l‟applicativo in dotazione ed aspettare la ricezione dei dati che giunge 
ad intervalli di tempo di 1 minuto. 
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1.2 Cenni sulla circuiteria e sul timer 
 
La tensione di alimentazione viene assicurata da una batteria tampone 
ricaricabile attraverso un pannello solare in configurazione tale da erogare 500 
mA a 6 V. Dato che il pannello è stato sovradimensionato, per evitare di far 
caricare troppo la batteria abbiamo inserito una  rete on/off con BJT e Mosfet per 
regolare la tensione di carica. Un regolatore di tensione invece viene usato per 
alimentare la scheda CPLD, in quanto a questa servono solamente 5 V. A monte 
di tutto abbiamo inserito un piccolo timer “on/off” che serve per staccare ed 
attaccare la tensione di alimentazione in determinate fasce orarie programmabili: 
per ora dalle 8 di mattina alla 8 di sera. Quando il timer stacca l‟alimentazione la 
circuiteria progettata si comporta molto bene in quanto la potenza consumata in 
stand-by dallo stesso è dell‟ordine di soli 5 mA. La sonda di temperatura e 
l‟anemometro vengono alimentati normalmente col 6 V disponibile dalla batteria, 
mentre la radio-trasmittente viene alimentata solamente a 4,5 V, dovuta alle 3 pile 
AA a 1,5 V che usava già prima. Tutti i segnali di dato (velocità e direzione del 
vento dell‟anemometro, segnale di temperatura e portante in uscita) sono stati 
inseriti in un‟unica bancata della scheda CPLD. Da notare che, per quanto 
riguarda la radio-trasmittente, non abbiamo usato il cavo di massa per il segnale 
della portante (che provocava solamente dei disturbi) in quanto si utilizza quella 
dell‟alimentazione della radio stessa.