Progettazione di una stazione anemometrica: aspetti software

Il progetto realizzato per questa tesi nasce dalla necessità di un autore della stessa: conoscere in tempo reale e a distanza le condizioni del vento (velocità, direzione e temperatura) in cima al monte Lignano, rilievo situato sopra il paese di Policiano in provincia di Arezzo, da cui vengono eseguiti dei lanci col parapendio o col deltaplano. Per poter generalizzare il più possibile l’uso della nostra apparecchiatura abbiamo dovuto compiere una serie di scelte progettuali ben precise, dovute alla particolarità del luogo in cui il nostro progetto si trovava a dover operare. Dato che l’apparecchiatura si trova in un luogo in cui non è presente la rete elettrica, le nostre scelte si sono 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, per evitare uno spreco della carica immagazzinata nella batteria tampone, dato che di notte l’acquisizione dati aveva poco senso, abbiamo usato un timer (che a riposo consuma pochissimo) che serve per accendere e spegnere l’apparecchiatura in certe fasce orarie programmabili (fino a 8 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 in una posizione non coperta, in cui non ci fossero delle perturbazioni del flusso ventoso, per evitare rilevazioni errate della velocità del vento. Per quanto riguarda la misurazione della temperatura abbiamo scelto di usare una semplice termoresistenza PTC 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). 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. 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 PWM in commercio con una portata compresa fra 3 a 5 Km, già possedute dall’autore della tesi, mettendo quella con un consumo più basso in trasmissione in cima al monte.
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.
La parte di ricezione è composta da una delle radio 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 per la decodifica dei dati inviati dalla stazione anemometrica (mediante l’uso della Trasformata veloce di Fourier FFT). In questa scelta risiede la modulabilità 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 in Visual Basic (che gira in background nella traybar) vengono inseriti in un normalissimo database Access e vengono visualizzati a schermo tramite dei grafici temporali.