Harsh environment sensors

Un ambiente estremo, o “harsh”, si definisce tale quando presenta delle condizioni di lavoro critiche. Temperature al di sotto di -40 °C o al di sopra di 125 °C, pressioni di esercizio elevate, vibrazioni intense, raggi cosmici ed interferenze elettromagnetiche possono causare malfunzionamenti in applicazioni elettroniche durante le fasi operative in cui la sensoristica è funzionale alla corretta operatività della strumentazione di bordo, come nell’ambito aerospaziale. Pertanto, i dispositivi che vi operano devono presentare delle caratteristiche che ne permettano il corretto funzionamento.

In tali ambienti, i sensori si trovano generalmente cablati, tuttavia questa scelta comporta delle criticità di natura progettuale, ad esempio è necessario che i cavi siano resistenti alle precedenti condizioni, senza presentare danneggiamenti.

Un’altra problematica relativa al cablaggio è rappresentata dall’esigenza di realizzare passacavi in grado di mantenere le separazioni delle condizioni tra ambiente estremo e normale. Tutto ciò ha ricadute sia a livello di complessità di progettazione, sia a livello economico. La soluzione a queste criticità è l’utilizzo di sistemi di comunicazione wireless. In generale un sistema di questo tipo è definito dall’accoppiamento tra un dispositivo trasmittente (master) e di uno ricevente (slave). Questo permette l’interscambio di dati attraverso la comunicazione tra molteplici dispositivi che interagiscono tra loro mediante un protocollo wireless customizzato.

I principali vantaggi di questa scelta sono:

• guadagno in termini di spazio
• riduzione di peso
• facilità di montaggio
• auto instradamento della rete durante la fase di configurazione

La scelta tra un sistema wireless ed uno cablato viene valutata su fattori quali: i consumi elettrici, il flusso dati, la distanza di trasmissione e la presenza di ostacoli fisici alla comunicazione radio. Nel caso di applicazioni a basso consumo sia la distanza di trasmissione del segnale che il flusso dati sono fattori chiavi che, direttamente correlati al consumo energetico, vengono limitati. Anche il protocollo risulta essere determinante nella limitazione dei consumi, pertanto la realizzazione di una comunicazione radio finalizzata alla specifica applicazione diventa essenziale, come nel caso specifico del sistema presentato in basso. Nell’immagine si può osservare un sistema di comunicazione radio a 2.4 GHz realizzato per applicazioni aerospaziali. Quando il device, che si trova in modalità “ultra low power”, viene risvegliato da un altro dispositivo per mezzo di un comando radio alla stessa frequenza, il sistema si attiva sincronizzandosi con gli altri “master” nelle vicinanze, condizionando il sensore per campionarlo e trasmettere i valori delle grandezze fisiche al nodo ricevente.

La compattezza dell’intero sistema, che si presenta come una soluzione ad-hoc, l’efficienza energetica, il circuito di risveglio elettromagnetico a 2.4 GHz e l’elevato flusso dati raggiungibile (circa 50 kSamples/s) rendono elevata l’integrabilità del dispositivo in reti di comunicazioni preesistenti, incrementando l’efficacia del sistema di controllo, che sulla base dei dati raccolti gestisce le azioni di pilotaggio degli attuatori. Dispositivi, come il precedente, permettono di applicare il concetto di Internet of Things (IoT) anche in settori dove prima non sembrava possibile, sia per condizioni operative estreme sia per standardizzazione di prodotto.

Ciò permette di rivoluzionare le applicazioni coinvolte, le quali traggono un beneficio aggiuntivo dall’interconnessione acquisita, incrementando l’efficienza della rete non cablata grazie alle caratteristiche delle reti mesh wireless di auto-configurabilità ed auto-riparazione; infatti, nel caso in cui un nodo si danneggi questo può essere bypassato automaticamente, senza danneggiare la rete.