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Andrea Costantini

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Sensori professionali LoRaWAN IoT Decentlab: un anno di dati e analisi

Pubblicato il 20 Gennaio 2022

Nell’ambito del Progetto sperimentale di monitoraggio meteorologico nella Foresta Regionale del Pian Cansiglio, come indicato nei vari articoli (ad esempio si veda http://meteoravanel.it/previsioni-locali/news-dal-cansiglio-webcam-e-dati-meteo-dai-bech-online/ e http://meteoravanel.it/progetto-cansiglio/finalmente-online-le-stazioni-di-valmenera-e-rifugio-semenza/), sono stati implementati anche tre sensori professionali con tecnologia LoRaWAN, particolarmente idonei alle località scelte ed alle peculiari condizioni climatiche (I Bech, Valmenera e Rif. Semenza). Per approfondimenti su LoRaWAN si veda https://lora-developers.semtech.com/documentation/tech-papers-and-guides/lora-and-lorawan/

Il produttore Decentlab GmbH, azienda tecnologica con sede a Dübendorf (Svizzera), è uno “spin off” dello “Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa)“, evoluzione della “Building Materials Testing Institute” nata all’interno della “Zurich’s Federal Polytechnical School” nel 1880, e può quindi vantare un background tecnico di assoluto rilievo sul piano internazionale.

Il prodotto scelto (DL-SHT35https://cdn.decentlab.com/download/datasheets/Decentlab-DL-SHT35-datasheet.pdf) rappresenta lo stato dell’arte per queste applicazioni ed è correntemente impiegato in numerose installazioni a livello mondiale, rispettando inoltre i parametri WMO, dimostrandosi ottimale in particolare nelle località gelide e caratterizzate da clima estremo, note come “frost hollows”. Si veda ad esempio la referenza seguente: https://www.decentlab.com/news/2018/2/14/so-far-3319-c-is-the-lowest-temperature-in-2018-at-hintergrppelen che si pone all’interno del progetto “Kaltluftseen – Laghi di aria fredda” che ha dato preziose linee guida al nostro nuovo progetto. Oltre al sensore professionale, per le stazioni di I bech e Valmenera è stato acquistato ed implementato lo schermo solare passivo “MeteoShield® Professional” prodotto dall’azienda slovacca BARANI DESIGN Technologies s.r.o. (https://www.baranidesign.com/barani-design-technologies, con certificazione ISO9001 e ISO14001 e svariati brevetti registrati).

Tra gli aspetti fondamentali di questi prodotti vi è la totale assenza di costosi elementi quali pannelli solari, batterie dedicate e circuiteria specifica; i sistemi sono alimentati da batterie alcaline VARTA comuni LR14 tipo C, scelte con cura tra quelle a maggiori prestazioni per la resistenza alle basse temperature e alla costante ma lenta scarica a cui sono sottoposte. Proprio le prestazioni delle batterie e del sistema sono state oggetto di attenta analisi, considerando come campione il sensore de “I Bech” che è stato spinto al massimo per eseguire il test: una trasmissione dati ogni 2 minuti per i mesi invernali, e successivamente ogni 5′ (per avere un riferimento, di solito l’intervallo di misura per questa tecnologia è 10 minuti o superiore).

Il test ha avuto come target i seguenti parametri, estratti grazie al database di Decentlab che è stato fornito e reso disponibile per il progetto:

1) Continuità del dato trasmesso al gateway TTIG-868 posto presso l’Agriturismo “Le Code” a circa 1.4km in linea d’aria
2) Tensione batteria trasmettitore e variazioni nel tempo
3) RSSI – Received Signal Strength Indicator (rappresenta la potenza del segnale ricevuto)
4) SNR – Rapporto segnale/rumore
5) SF – Spreading Factor (fattore di dispersione)
6) Valori termo-igrometrici medi ed estremi dell’anno 2021 a I Bech https://meteoravanel.decentlab.com/d/lJDK5KeMk/ultime-24-ore-confronto-dati-in-tempo-reale-lorawan-aws?refresh=30s&orgId=2&from=now-1y&to=now&var-Node=8494&var-Aggregation=mean&var-Interval=1m <https://meteoravanel.decentlab.com/d/lJDK5KeMk/ultime-24-ore-confronto-dati-in-tempo-reale-lorawan-aws?refresh=30s&orgId=2&from=now-1y&to=now&var-Node=8494&var-Aggregation=mean&var-Interval=1m>
7) Confronto con le altre due stazioni DL-SHT35 Decentlab (installate a fine maggio/inizio giugno) nel semestre 1° luglio – 31 dicembre 2021  e conclusioni sugli andamenti rilevati https://meteoravanel.decentlab.com/d/lJDK5KeMk/ultime-24-ore-confronto-dati-in-tempo-reale-lorawan-aws?refresh=5m&orgId=2&from=1625154557037&to=now&var-Node=8280&var-Node=8494&var-Node=9297&var-Aggregation=mean&var-Interval=1m <https://meteoravanel.decentlab.com/d/lJDK5KeMk/ultime-24-ore-confronto-dati-in-tempo-reale-lorawan-aws?refresh=5m&orgId=2&from=1625154557037&to=now&var-Node=8280&var-Node=8494&var-Node=9297&var-Aggregation=mean&var-Interval=1m>

Di seguito sono riportati i risultati punto per punto:

1) E’ stato analizzato il parametro “port” che permette di mappare la continuità del dato; con l’eccezione di tre brevi e sporadici casi, non dovuti al sensore ma all’assenza temporanea di internet e quindi dello stato offline del gateway TTIG-868 presso Agriturismo Le Code, il segnale è stato del tutto continuo nell’intervallo considerato (13 dicembre 2020, data di installazione e 13 dicembre 2021).

2) La tensione di batteria iniziale all’installazione era pari a 3.12Vdc; il sensore ha trasmesso ogni 2 minuti per circa 10 mesi, poi da fine ottobre 2021 è stato impostato a 5 minuti. Dopo un anno di funzionamento il valore di tensione è pari a 2.89Vdc, pertanto considerando le condizioni termo-igrometriche spesso estreme e l’altissima frequenza di invio dato, la variazione di tensione è stata del tutto trascurabile (0.23Vdc/anno). Tali riscontri confermano pienamente le specifiche tecniche del produttore, che si riferiscono anche al valore di SF (vedasi punto 5) che incide sulla durata della batteria nei nodi LoRaWAN.

3) Il valore RSSI – Received Signal Strength Indicator (così come gli altri parametri radio) è stato rilevato mediante il gateway TTIG-868 che, conformemente alla migrazione TTN da V2 a V3, è stato portato all’ultima versione della piattaforma. Da qui risulta quindi la transizione della relativa nomenclatura. Il dato medio sull’intero anno è pari a -104dBm, valore del tutto ottimale viste le condizioni operative ed il fatto che il gateway si trova a circa 1.5km in linea d’aria, all’interno di un edificio le cui pareti sono spesse oltre 60cm. Gli estremi sono stati rispettivamente -114 dBm (minimo) e -88.0 dBm (massimo).

4) Il valore SNR – Rapporto segnale/rumore ha mostrato un valore medio di -3dB ed ha oscillato tra un massimo di 9.50dB ed un minimo di -13.50dB, garantendo un’adeguata ricezione del segnale (anche in condizioni meteo caratterizzate da forti nevicate ed accumulo che ha temporaneamente coperto il trasmettitore).

5) Il parametro SF – Spreading Factor (fattore di dispersione) è molto importante in una trasmissione LoRaWAN (si veda a tal proposito l’approfondimento tecnico qui: https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/spreading-factors/). Il valore medio è pari ad 8, con lunghi periodi aventi valori 7 e con solo limitatissime escursioni sopra il 10 (un unico valore a 12 il 26 marzo 2021). Tale risultato è molto buono e ben si armonizza con la dimensione del payload, con l’airtime e la “fair policy” prevista dallo standard di trasmissione.

6) Cliccando su Dati_2021_IBech è disponibile la tabella dettagliata dei dati del 2021, insieme alla media annuale di temperatura e umidità ricavata dal database Decentlab. Si notino i periodi freddi di gennaio e dicembre (coincidenti con abbondante neve al suolo) e i picchi di temperatura estiva di agosto. Gli estremi annuali sono di -26.8°C il 12 gennaio e +26.8°C il 13 agosto. Un’escursione termica di oltre 50°C!

7) Utilizzando i dati ricevuti dalle altre due stazioni LoRaWAN Decentlab di Val Menera e Rif. Semenza, si esegue il confronto nel periodo 1° luglio – 31 dicembre 2021 dei parametri termici ed igrometrici. E’ evidente come il raffreddamento della piana di Valmenera viene spesso disturbato, quando non del tutto interrotto, dalle tenaci e frequentissime nebbie che tendono a svilupparsi di notte e fino al primo mattino. Tale fenomeno intrappola buona parte della radiazione nell’infrarosso in uscita dal terreno e impedisce alle temperature di scendere specie se confrontate con I Bech (sono state rilevate differenze nella temperatura minima anche di 10°C).

Le poche notti serene di dicembre hanno però favorito un raffreddamento molto cospicuo, permettendo ad entrambe le località di portarsi a valori prossimi ai -25°C; attorno a metà mese, una marcata configurazione di inversione termica ha mantenuto le temperature ampiamente sotto lo zero anche di giorno nei due siti de i Bech e Valmenera, mentre al Rif. Semenza la temperatura ha sfiorato i +10°C (in questa circostanza è ipotizzabile, dal confronto con le stazioni a quote inferiori, che la relativa vicinanza del sensore alla parete del Rifugio e l’albedo indotto dalla neve al suolo abbiano potuto incrementare localmente il valore di 1.5/2°C). Osservando l’andamento dell’umidità relativa, si nota come nel periodo estivo a Valmenera i valori diurni scendano di più rispetto a I Bech, mentre in inverno, e specie nelle condizioni di inversione termica, in Valmenera lo strato limite è così stabile che il rimescolamento non avviene. Al Rif. Semenza i valori di umidità relativa sono scesi anche al di sotto del 10%.

 

Infine, considerando l’intera rete delle stazioni attive sul Cansiglio e dintorni, è interessante osservare un esempio di tipica inversione termica, avvenuta nell’episodio del 14 dicembre 2021 (e similare a molte circostanze osservate in questo mese, particolarmente propizio al fenomeno a causa dell’abbondante neve al suolo e alle condizioni di alta pressione con aria subtropicale in quota)

Confronto temperature minime giornaliere
I Bech 983m s.l.m.: -19.1 °C
Malga Filippon 1.003m s.l.m.: -15.7 °C
Pian di Valmenera 903m s.l.m.: -13.1 °C
ARPAV Tramedere 1.022m s.l.m.: -12.8 °C
Casera Le Rotte 1.080m s.l.m.: -6.6 °C
Rifugio Semenza – CAI 2.020m s.l.m.: 0.5 °C
Vittorio Veneto 130 m s.l.m. (circa 12 km in linea d’aria direzione sud-ovest): 1.2 °C
Malga Col dei S’Cios 1327m s.l.m. (PN) (circa 4 km in linea d’aria direzione est): 3.1 °C
ARPAV Col Indes 1.180m s.l.m.: 3.4 °C
ARPAV Casera Palantina 1.492m s.l.m.: 3.5 °C
Malga Picotera – Pizzoc 1.037 m s.l.m. (circa 6 km in linea d’aria direzione sud-ovest): 3.9 °C
ARPAV Faverghera Col Visentin 1.605 m s.l.m. (circa 8 km in linea d’aria direzione ovest): 4 °C
Rif. Città di Vittorio Veneto – Monte Pizzoc 1.547m s.l.m. (circa 4 km in linea d’aria direzione ovest): 4.3 °C

Confronto temperature massime giornaliere
Pian di Valmenera 903m s.l.m.: -4.6 °C
I Bech 983m s.l.m.: -4.5 °C
Malga Filippon 1.003m s.l.m.: -3.6 °C
ARPAV Tramedere 1.022m s.l.m.: -2.0 °C
Casera Le Rotte 1.080m s.l.m.: 0.8 °C
ARPAV Faverghera Col Visentin 1.605 m s.l.m. (circa 8 km in linea d’aria direzione ovest): 7.5 °C
ARPAV Casera Palantina 1.492m s.l.m.: 7.9 °C
ARPAV Col Indes 1.180m s.l.m.: 8.0 °C
Malga Picotera – Pizzoc 1.037 m s.l.m. (circa 6 km in linea d’aria direzione sud-ovest): 8.3 °C
Rif. Città di Vittorio Veneto – Monte Pizzoc 1.547m s.l.m. (circa 4 km in linea d’aria direzione ovest): 8.8 °C
Rifugio Semenza – CAI 2.020m s.l.m.: 9.8 °C
Malga Col dei S’Cios 1327m s.l.m. (PN) (circa 4 km in linea d’aria direzione est): 11 °C
Vittorio Veneto 130 m s.l.m. (circa 12 km in linea d’aria direzione sud-ovest): 11.3 °C

 

Spicca inoltre l’episodio di Capodanno

Dati aggiornati alle ore: 12:56:21 del 31/12/2021

Temperature in tempo reale

Pian di Valmenera 903 m s.l.m.: -6.6 °C
I Bech 983 m s.l.m.: -3.8 °C
ARPAV Tramedere 1.022 m s.l.m.: -1.9 °C
Malga Filippon 1.003 m s.l.m.: -1.2 °C
Agriturismo Le Code 1.020m s.l.m..: -0.8 °C
Casera Le Rotte 1.080 m s.l.m.: 5.4 °C
Malga Picotera – Pizzoc 1.037 m s.l.m. (circa 6 km in linea d’aria direzione sud-ovest): 11.9 °C
ARPAV Col Indes 1.180 m s.l.m.: 12.6 °C
Vittorio Veneto fraz. Costa – 130 m s.l.m. (circa 12 km in linea d’aria direzione sud-ovest): 13.1 °C
Malga Col dei S’Cios 1327m s.l.m. (PN) (circa 4 km in linea d’aria direzione est): 13.2 °C
ARPAV Faverghera Col Visentin 1.605 m s.l.m. (circa 8 km in linea d’aria direzione ovest): 13.4 °C
Rifugio Semenza – CAI 2.020 m s.l.m.: 13.6 °C
Rif. Città di Vittorio Veneto – Pizzoc 1.547m s.l.m. (circa 4 km in linea d’aria direzione sud-ovest): 15.4 °C

Concludendo, è possibile affermare che i sensori professionali Decentlab, così come risulta dai test operativi nel severo contesto ambientale della Foresta Regionale del Pian Cansiglio, sono del tutto idonei a tali finalità di monitoraggio. Dopo il completamento delle installazioni tra 2021 e 2022, sarà successivamente organizzata in maniera metodica e omogenea la gestione dei dati provenienti dalle varie stazioni coinvolte nel progetto di monitoraggio (LoRaWAN, Davis, Arpa Veneto, etc), al fine di permettere confronti più agevoli del singolo parametro oppure di più parametri contemporaneamente (ad esempio implementando un database tipo Influx o similari), così come l’estrazione degli estremi mensili, annuali e dell’intera serie storica.

Di seguito è riportato un esempio in fase di studio su base Influx (work in progress…)

 

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