Sistema di acquisizione dati a basso consumo basato su Linux per sensori multiparametrici: l'hardware

Abstract

Questo rapporto tecnico descrive dettagliatamente l’hardware di un sistema di acquisizione dati, a basso consumo, basato sul sistema operativo open-source Linux, adatto per l’acquisizione di segnali da sensori multiparametrici. Il sistema in oggetto si presta adeguatamente per misure di monitoraggio ambientale effettuate mediante sensori, con uscita analogica o digitale, con rate di acquisizione medio-basso (da 1 sample/10 s a 10 sps). Il sistema si presenta a frame aperto ed è costituito da tre schede elettroniche impilabili una sull’altra attraverso una coppia di slot. Il nucleo centrale del sistema è formato da una CPU del tipo ARM-9 a basso consumo montata su una scheda elettronica commerciale. Una seconda scheda ospita sino ad otto linee digitali di I/O, due interfacce USB con accensione a comando, tre porte seriali asincrone di tipo RS-232 ed una porta seriale asincrona half-duplex di tipo RS-485/RS-422. Su una terza scheda elettronica è presente un convertitore analogicodigitale a 12-bit ad otto canali multiplexati, utilizzato per monitorare i consumi elettrici della strumentazione e del sistema stesso. Oltre che a fornire la misura della temperatura del sistema, la scheda effettua la misura dell’inclinazione e dell’orientazione, con la presenza di una bussola magnetica digitale, e dispone di un sensore di presenza acqua, utile per applicazioni di geofisica marina. Infine, un connettore di espansione consente di collegare al sistema un’ulteriore scheda di estensione con la possibilità di rendere disponibile all’esterno sino a otto linee digitali di I/O e un’interfaccia seriale di tipo I2C, eventualmente optoisolate. Completa il tutto un modulo (opzionale) con convertitori DC/DC di bassa potenza in grado di fornire tutte le tensioni di alimentazione di cui necessita il sistema. La motivazione che ha spinto la produzione di questo sistema risiede principalmente nel fatto che, sul mercato di elettronica attuale, non sono disponibili siffatti sistemi di acquisizione a basso consumo, utili per il controllo ed il monitoraggio di strumentazione, di interesse geofisico e non, da fondale marino. Sino a poco tempo fa, per il modulo sottomarino del sistema CUMAS (Cabled Underwater Module for Acquisition of Seismological data) [Iannaccone et al, 2009], si è fatto uso di una CPU industriale basata su Linux (Moxa, UC7408-LX) il cui consumo si attesta intorno ai 5 W, eccessivi per siffatti sistemi. Se a questo si aggiungono i consumi dei sensori di stato esterni ad essa connessa, allora i consumi salgono intorno ai 7 W. Ma essendo il sistema costituito da una parte fuori acqua e l’altra adagiata sul fondo marino, il tutto raddoppia facendo salire i consumi di questa elettronica intorno ai 14 W totali. Inoltre, bisogna prendere in considerazione anche il costo della CPU (circa 900€) e dei sensori esterni (circa 1000€), non trascurabili. Infine, l’utilizzo della CPU Moxa, ritenuto valido al momento della progettazione del sistema CUMAS (2003), risulta oggi superato, sia in termini di consumo sia come costi. Il sistema di acquisizione proposto consuma meno di 1 W e contiene una CPU più potente (dotata di compilatore gcc integrato, a differenza della CPU Moxa) ed integra tutti i sensori presenti nel sistema CUMAS fornendo risoluzioni di misura simili. Il costo finale si aggira intorno ai 450€. Appaiono evidenti, quindi, i notevoli vantaggi che ne sono derivati dall’implementazione della soluzione proposta. Un’interfaccia web scritta in linguaggio PHP, una serie di script scritti in Bash e Perl, coadiuvati da una serie di applicazioni elaborate in linguaggio C, costituiscono il software di gestione del microprocessore, delle periferiche e dei sensori integrati ed esterni, per la cui descrizione dettagliata si rimanda ad un successivo documento di prossima pubblicazione.