Il naso elettronico ENEA utilizza gruppi di sensori chimici,
sia commerciali che di fabbricazione ENEA, per la rilevazione di gas e di altri
parametri ambientali (temperatura, umidità, fotoluminescenza). In
corrispondenza di ogni sensore è presente una circuiteria elettronica di
condizionamento da cui il segnale generato dal sensore passa (in alcuni casi
multiplexatoMUX) ad un convertitore analogico digitale (ADC) e viene poi
immagazzinato e gestito da un sistema a microprocessore. Il periodico
collegamento via seriale ad un personal computer in cui risiede un apposito
software di gestione, consente il trasferimento e l’elaborazione dei dati delle
campagne di misura. L’alimentazione anche a batteria ne consente l’utilizzo in
assenza di rete elettrica. Un avanzamento di questa architettura è il prototipo
di naso elettronico wireless basato su sensori polimerici. La possibilità della
ricetrasmissione via radio dei dati tra più nasi apre l’applicazione verso il
settore delle “reti di nasi elettronici” in grado di eseguire un monitoraggio
multipunto, capillare, affidabile ed a basso costo della quantità e qualità dei
gas presenti negli ambienti. Il naso è costituito da:
– un gruppo di
sensori polimerici resistivi (matrice di sensori), da esporre a gas e/o vapori
perturbanti; – un’elettronica di condizionamento ed amplificazione del segnale
da essi generato in presenza di sollecitazione esterna, nella quale il sensore
è posto sul ramo di retroazione di un amplificatore operazionale in
configurazione invertente;
– una piattaforma
wireless per la digitalizzazione e la diffusione via radio dei dati rilevati;
– un sistema
informatico (unità remota processamento dati) per la ricezione, memorizzazione
ed elaborazione dei dati e per il riconoscimento di pattern olfattivi;
– una scheda di
alimentazione e connessione tra le varie parti;
– una batteria o alimentatore da rete. Il prototipo evolverà
verso la miniaturizzazione della circuiteria e dei sensori per la loro
integrazione in un'unica scheda elettronica di dimensioni ridotte.
Un caso di applicazione del naso elettronico ENEA: il
monitoraggio del sito sismico “Solfatara” di Napoli Le analisi ed il
monitoraggio geochimico dei gas emessi in maniera diffusa o localizzata
(fumarole) in aree vulcaniche è attualmente condotto con metodologie che
coinvolgono l’uso di strumentazione da laboratorio e metodi di campionamento e
trattamento dei campioni decisamente complesse. I tempi di analisi superano a
volte la settimana, con il coinvolgimento di personale altamente specializzato.
La disponibilità di mezzi innovativi a campionamento veloce capaci di analisi
sia qualitativa che quantitativa di tali gas potrebbe apportare nuove
conoscenze sulla dinamica a breve termine dei sistemi vulcanici complessi. Di
particolare importanza sono sopratutto la velocità di risposta, l’operatività
non supervisionata, e la possibilità di monitoraggio pervasivo delle aree. ENEA
ha proposto l’utilizzo di un architettura a naso elettronico, sviluppata in
particolare per le applicazioni outdoor, per il monitoraggio geochimico delle
fumarole vulcaniche [DeV01]. Tale architettura, una cui realizzazione è
raffigurata in figura 4, permetterà di ottenere una valutazione qualitativa e
quantitativa della composizione dei gas emessi con tempi di campionamento
inferiori al minuto e comunque programmabili. La flessibilità e la modularità dell’architettura
sviluppata permette la scelta di un array di sensori ottimale appositamente
studiato per il sistema da monitorare potendo basarsi su mix di sensori
commerciali e sensori sviluppati in contesti di ricerca tra i quali quelli
sviluppati dall’ENEA stessa. Il singolo modulo risulta occupare dimensioni
contenute ed è in grado di trasmettere con opportuni accorgimenti i segnali
rilevati a distanze contenute che comunque permettono il dispiegamento di
molteplici unità in un contesto di monitoraggio distribuito. Le analisi fin qui
condotte, con l’ausilio dei ricercatori dell’Istituto di Geofisica e
Vulcanologia, hanno evidenziato la possibilità di effettuare una mappatura
delle varie sorgenti emissive nel cratere della Solfatara appartenente al
sistema dei Campi Flegrei (figure 5 e 6), uno dei sistemi a maggiore rischio
per la densità abitativa circostante. Inoltre il naso elettronico ENEA sembra
essere in grado di valutare il rapporto quantitativo tra le concentrazioni di
particolari gas come l’H2S ed il CO emessi dalle fumarole, come esemplificato
nelle figure 7 e 8. Questi rapporti caratteristici sono di estrema rilevanza in
quanto di fatto rappresentano un’indicazione valida sia della temperatura sia
dell’altezza del magma sottostante il sistema suddetto. Il magma infatti, nella
sua lenta risalita verso la superficie viene in contatto con differenti
tipologie di suolo e sorgenti acquifere determinando un cambiamento nella
composizione dei gas emessi dalle fumarole.
Il futuro del naso: reti di nasi elettronici Le
applicazioni sensoristiche evolvono sempre di più verso la misurazione
distribuita e pervasiva delle grandezze ottenuta mediante la moltiplicazione
degli elementi e la loro dislocazione nell’ambiente da misurare. Nel prossimo
futuro dobbiamo attenderci il fiorire di applicazioni pervasive con nodi
sensoriali sempre più piccoli ed efficienti. Nel contesto specifico di questo
articolo è bene sottolineare come in alcune applicazioni, in special modo
quelle relative alla misura della qualità dell’aria e dell’inquinamento
atmosferico, sussista la necessità, per ragioni fluidodinamiche, di dotarsi di
una vera e propria rete di rilevatori che, cooperando, siano in grado di
ricostruire l’“immagine” olfattiva dell’ambiente in cui sono immersi. Sulla
base di queste indicazioni l’ENEA ha proposto lo sviluppo di una rete di
piccoli nasi elettronici cooperanti via collegamento radio [Dev02]. Dislocati
con una topologia detta mesh, i nasi fanno pervenire le informazioni acquisite
a distanze molto maggiori di quelle ottenibili mediante una topologia classica
a stella. Le informazioni vengono infatti fatte “rimbalzare” su molteplici nodi
della rete mediante protocolli di routing multihop fino ad un nodo primario,
tipicamente costituito da un PC, denominato data sink. In questo tipo di
applicazione è fondamentale implementare politiche di misurazione orientate
all’efficienza energetica. I nodi infatti sono alimentati a batteria in modo da
rendere semplice il loro dispiegamento in ambienti inizialmente non destinati
ad ospitarli. Inoltre, per evitare il rapido esaurimento delle batterie, le
piattaforme operative ospitanti i sensori e i loro sistemi operativi sono
progettate per garantire consumi bassissimi e transizioni veloci tra gli stati
“dormienti” e quelli attivi in cui il consumo energetico è maggiore. L’ENEA
costruisce i suoi mini-nasi denominati TinyNose a partire da un piccolo array
di sensori polimerici sviluppati ad hoc e da nodi per reti di sensori
commerciali, sviluppati da spin-off dell’Università della California a
Berkeley. Per tali nodi è stato sviluppato un sistema operativo volto
all’efficienza energetica denominato TinyOS per il quale ENEA sviluppa
componenti software in grado di interfacciare i propri sensori e curare la
catena di acquisizione del dato fino alla sua presentazione, via web,
all’utente finale. Ai fini dell’efficienza energetica si sono rivelati decisivi
gli studi intrapresi nel recente passato dal gruppo sensoristica di Portici del
Dipartimento Tecnologie Fisiche e Nuovi Materiali su sensori nanostrutturati
operanti a temperatura ambiente [Dif01]. Questi, a differenza dei classici
sensori a ossidi metallici operanti ad alte temperature, grazie alla reattività
potenziata della loro superficie nanostrutturata, garantiscono consumi
significativamente più contenuti oltre a semplificare l’elettronica di
pilotaggio e condizionamento del segnale. Infine, è da notare come il consumo
legato alla trasmissione dei dati in questi nodi sensoriali sia
significativamente più elevato di quello legato a operazioni di computing; per
questo motivo sono in corso degli studi, presso gli stessi laboratori ENEA, al
fine di integrare componenti “intelligenti” all’interno dei nodi TinyNose. In
questo modo ogni nodo sarà in grado di valutare la significatività del dato e
decidere per la sua trasmissione in tempo reale o per l’immagazzinamento per
operazioni di media statistica. Allo stesso tempo i nodi saranno in grado di
modificare autonomamente la frequenza di campionamento per realizzare ulteriori
risparmi energetici, adattandola alla situazione rilevata. Le ricerche in atto
hanno già permesso lo sviluppo di prototipi in grado ad esempio di valutare la
presenza di particolari specie di composti volatili (terpeni, acetone, etanolo
ecc.). Da un punto di vista applicativo l’obiettivo condiviso dai ricercatori
in questo campo è la realizzazione di nasi elettronici dotati di un gran numero
di sensori capaci di misurazioni significative in un numero ampio di
applicazioni che, anche se inquadrate in scenari di riferimento, possano
attribuire una certa flessibilità al naso stesso. In questa visione, sarà
possibile produrre, per esempio, un naso elettronico per applicazioni
alimentari consumer che possa passare dall’analisi qualitativa di oli, ai vini
piuttosto che ai formaggi una volta caricata on-board l’opportuna libreria per
pattern recognition. Alcuni gruppi, come abbiamo accennato, stanno esplorando
la possibilità di integrare meccanismi di aspirazione e pretrattamento della
miscela odorosa in un ottica biomimetica, altri ancora esplorano l’utilizzo di
meccanismi di sensing differenti da array di sensori ottici alla spettrometria
a mobilità ionica miniaturizzata. L’utilizzo massivo dell’elettronica
flessibile, inoltre, potrebbe portare in pochi decenni all’integrazione di tali
dispositivi negli elettrodomestici o in prodotti di uso comune come esempio un
frigorifero capace di individuare cibi che stanno deperendo o packaging
intelligenti in grado di monitorare in continuo lo stato di conservazione di
farmaci, protesi e altri beni strategici. La sfida più affascinante resta la
possibilità di utilizzare tali architetture in ambito biomedicale ai fini
sopratutto della realizzazione di strumenti semplici, poco costosi, non
invasivi, per la diagnosi precoce delle patologie
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