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

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

CUMAS: a seafloor multi-sensor module for volcanic hazard monitoring - First long-term experiment and performance assessment

A seafloor multi-sensor module with real-time data transmission, named CUMAS (Cabled Underwater Module for Acquisition of Seismological data), has been deployed in January 2008 in the Gulf of Pozzuoli, in the Campi Flegrei caldera (southern Italy), which is one of the most active volcanic areas in the world. The sensors installed in CUMAS were selected to monitor a set of signals related to the local seismicity as well as the ground uplift and subsidence of the seafloor that are related to the bradyseismic phenomenon. In particular, together with a broad-band three-component seismometer and a low-frequency hydrophone, a seafloor water-pressure sensor is used to assess the feasibility of measurements of the slow vertical movement of the seafloor (bradyseism). Further sensors are acquired by two embedded Linux computers, namely tilt and heading sensors for the measure of the actual module orientation on the seafloor, and status sensors that monitor the state of health of the vessel (e.g., internal temperature, power absorption, water intrusion). The underwater acquisition systems are linked to a support infrastructure, a floating buoy (elastic beacon), through an electro-mechanical cable with an Ethernet line. The buoy provides the needed power supply thanks to batteries charged by solar panels and a wind- generator. A Wi-Fi antenna on the buoy is used to transmit the seafloor data from the sea surface to the land acquisition centre in the city of Naples. A meteorological station is also mounted on the buoy, to allow the correlation of the air and seafloor data. CUMAS, although based on commercial sensors, relies on an original system for the centralized management of a wide set of geophysical and physical oceanographic sensors, that handles the continuous data acquisition and real-time data transmission. After the installation in the Gulf of Pozzuoli at about 100 m w.d., and after a test period, CUMAS uninterruptedly operated from May 2008 to June 2009, thus providing continuous geophysical data to the Monitoring Center of the Campi Flegrei volcanic areas, managed by the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia. The long-term operational performance of CUMAS is presented here, together with the first results from the analysis of the geophysical long time-series acquired. Examples of the acquired signals, especially geophysical data, will be presented to point out the high quality in term of signal-to-noise ratio. In particular, earthquake recordings obtained from the hydrophone resulted of comparable quality to the seismic data acquired on land by the permanent network, thus demonstrating the suitability of hydrophones to monitor the seismic activity of the caldera