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Andrea Costantini

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Stazione termo-igro-pluviometrica IoT LoRaWAN con nodo Dragino LSN50-V2: il “Case history” di Casera Pian dei Grassi (Col Visentin – 1209m s.l.m. – TV)

Pubblicato il 20 Luglio 2022

Il segmento IoT vede la crescente disponibilità di dispositivi LoRaWAN accessibili a basso costo e la diffusione di gateway connessi ad internet che permettono di trasferire i dati dal campo ad un network server gratuito, quale ad esempio The Things Network (TTN). Tra le molte possibili applicazioni, si annovera l’utilizzo di nodi programmabili per acquisire misure meteorologiche, grazie alla facilità di impiego ed all’economicità dei componenti utilizzabili per soluzioni base, adatte a molte semplici applicazioni ma che al tempo stesso offrono la possibilità di affinare metodi e strumenti anche per ambienti più complessi e necessità di monitoraggio maggiormente evolute. In questo articolo si evidenzia la flessibilità offerta dai nodi modello LSN50-V2 prodotti dall’azienda cinese Dragino Technology Co., LTD. portando un “case history” di auto-assemblaggio, configurazione ed utilizzo operativo per il monitoraggio dei parametri meteorologici e di temperatura del terreno presso il sito di “Casera Pian dei Grassi” posto a 1209m s.l.m., primo punto di misura e trasmissione “real-time” dell’intero versante meridionale del Col Visentin (posto a cavallo tra le province di Treviso e Belluno, nel territorio del Comune di Vittorio Veneto) e peculiare per la sua posizione aperta alla pianura e influenzato dalla circolazione “di versante” specie per quanto attiene le brezze diurne e notturne.

Parole chiave: stazione meteo, meteorologia, monitoraggio, dati realtime, ricerca e sviluppo, LoRaWAN, gateway, nodo, LSN50-V2, Dragino, Col Visentin, Vittorio Veneto, Treviso, Italia

1 – Introduzione
Grazie allo sviluppo della tecnologia IoT LoRaWAN e alla crescente disponibilità di nodi e gateway compatibili con le più recenti piattaforme open-source, così come il basso costo di implementazione, è ora possibile ampliare le conoscenze sul settore e installare e rendere fruibili online i dati provenienti da stazioni in campo; l’auto-assemblaggio degli elementi è ormai accessibile anche a chi dispone di conoscenze base di elettronica e programmazione, grazie alla copiosa documentazione online (a tal proposito si menzionano gli articoli scritti nel 2021 partendo dallo sviluppo del nodo Elsys ELT2, tutt’ora in gran parte validi ed attuali: http://meteoravanel.it/approfondimento/come-autocostruire-una-stazione-meteo-con-tecnologia-iot-lorawan-parte-1/).
I nodi Dragino LSN50-V2, in svariate configurazioni, sono già impiegati da quasi due anni sia all’interno del Progetto sperimentale di monitoraggio nella Foresta Regionale di Pian Cansiglio (i cui risultati sono stati presentati sotto forma di Poster al IV Congresso Nazionale Aisam tenutosi a Milano a febbraio 2022 e nell’articolo https://www.researchgate.net/project/Frost-hollows-of-Pian-Cansiglio-realtime-data-measuring-and-publication), sia nelle condizioni estreme dell’Altopiano delle Pale di San Martino ad oltre 2500m di quota, all’interno di un progetto di monitoraggio specifico delle “frost holes” (doline gelide) a cura dell’Associazione Meteotriveneto, i cui dati verranno resi pubblici al termine dei prossimi mesi di test (https://doline.meteotriveneto.it/).

2 – Il nodo Dragino LSN50-V2
L’azienda cinese Dragino Technology Co., LTD. produce e commercializza molte valide soluzioni sia a livello di nodi che di gateway per l’impiego in reti LoRaWAN; LSN50-V2 è un nodo OTAA classe A, programmabile, e si presenta in una custodia IP68 dotata di antenna esterna (rimovibile e sostituibile con eventuali antenne ad alto guadagno) con connettore SMA maschio, pressacavo M12 o M16 e batteria Li/SOCl2 da 8500mA sostituibile. Il prodotto, open source, è ben documentato e dispone di manualistica adeguata che permette di utilizzarlo in autonomia, a cui si rimanda per tutti gli approfondimenti necessari.

Per lo scopo di questa applicazione, il prodotto è stato utilizzato in modalità “IIC” (Mode=1, payload 11 bytes) che è la configurazione di default e pertanto già permette l’utilizzo senza ulteriori settaggi; l’unica personalizzazione necessaria è sull’ingresso del segnale da pluviometro (“trigger interrupt” di tipo “fronte di salita” per utilizzare il pluviometro ad uscita impulsiva, a cui corrisponde il downlink command 06000003) e l’eventuale frequenza di trasmissione (di default pari a 20 minuti, impostata a 15 minuti mediante downlink command 01000384).

Misure meteorologiche ottenute direttamente: temperatura e umidità in schermo solare, temperatura sonda aggiuntiva (utilizzabile ad esempio per integrazione del valore misurato a 10 o 20cm di profondità nel terreno, elemento particolarmente utile in ambito agricolo).
Misure meteorologiche ottenute da calcolo indiretto: precipitazione giornaliera, temperatura di rugiada, altre grandezze ottenibili in post elaborazione (es. intensità precipitazione etc.).

Misure di contesto base: orario ultima trasmissione, tensione batteria
Misure di contesto aggiuntive inerenti la trasmissione radio (ad esempio “frequency”: 867.9, “data_rate”: “SF7BW125”, “coding_rate”: “4/5”, “rssi”: -91, ”snr”: 9.5)

Per l’acquisizione dei dati LoRaWAN è stata impiegata l’infrastruttura low-power wide-area network di The Things Network che permette, a titolo gratuito per scopi didattici e senza finalità di lucro, di disporre di un archivio di 30 giorni (https://www.thethingsindustries.com/docs/integrations/storage/). I dati così raccolti, mediante semplici script, vengono convertiti nei formati supportati dalle più note reti di monitoraggio, quali ad esempio Meteonetwork e Meteo 4. E’ in tal modo possibile eseguire la comparazione dei vari parametri misurati e facilitarne la libera diffusione.

3 – I sensori utilizzati ed il loro interfacciamento

Il kit minimale e più economico è composto dai seguenti elementi:
A) Trasmettitore termo-igrometrico con sonda Sensirion SHT31 o similare, dotato di interfaccia I2C e cavo pre-saldato a 4 poli.
B) Pluviometro con uscita impulsiva (dry-contact) tipo WH-SP-RG, dotato di cavo pre-saldato
C) Sensore temperatura 1-wire tipo DS18B20, dotato di cavo pre-saldato

Si precisa che questi elementi sono sostituibili con altri trasduttori di più elevate prestazioni, tuttavia tale operazione potrebbe richiedere maggiori conoscenze tecniche ed informatiche che non vengono approfondite in questa sede.

I tre sensori sopra indicati sono direttamente interfacciabili alla scheda di LSN50-V2 mediante cablaggio (è disponibile sia una morsettiera che una basetta per eventuale saldatura dei cavi); nel dettaglio, i collegamenti dovranno essere eseguiti come segue, prima di alimentare il nodo:

A) Sensore SHT31
B) Pluviometro Misol
C) Sensore DS18B20

Al termine dell’operazione è possibile attivare il nodo operando sul jumper presente sulla scheda (si rimanda alle istruzioni del prodotto per i dettagli) e registrare il prodotto su applicazione TTN grazie alle chiavi fornite e disponibili sulla confezione originale, inviando i comandi in downlink già indicati (impostazione frequenza 15 minuti, “trigger interrupt” di tipo “fronte di salita”). Dopo aver inserito il payload decoder sulla sezione uplink dell’applicazione, sarà possibile vedere “in chiaro” i dati trasmessi:

“ADC_CH0V”: 0.278,
“BatV”: 3.384,
“Digital_IStatus”: “L”,
“Door_status”: “OPEN”,
“EXTI_Trigger”: “FALSE”,
“Hum_SHT”: 80.7,
“TempC1”: 10.3,
“TempC_SHT”: 14.2,
“Work_mode”: “IIC”

In particolare, le corrispondenze con i sensori installati sono le seguenti:
“Hum_SHT”: 80.7, >> Sensore SHT31 (umidità relativa)
“TempC1”: 10.3, >> Sensore DS18B20 (temperatura terreno)
“TempC_SHT”: 14.2, >> Sensore SHT31 (temperatura aria)
“EXTI_Trigger”: “FALSE”, >> stato ingresso pluviometro “a riposo”; ad ogni commutazione della bascula, il payload verrà trasmesso ed il valore “EXTI_Trigger” diverrà “TRUE”, permettendo una successiva operazione di conteggio con indice incrementale mediante un semplice ciclo for (vedere in seguito le indicazioni sul codice).

La stazione è dunque pronta ad essere installata in campo, assicurandosi che sia ricevuta da almeno un gateway LoRaWAN avente connettività verso l’infrastruttura low-power wide-area network di The Things Network (è possibile eseguire un controllo dei gateway attualmente attivi sul sito https://ttnmapper.org/heatmap/).
Il sensore termo-igrometrico SHT31 va inserito in uno schermo solare a norma WMO, il pluviometro va posto in bolla rispetto al terreno e privo di ostacoli ed il sensore di temperatura suolo può essere inserito in un tubo metallico di protezione, inserito ad esempio a 10 o 20cm di profondità (in funzione del livello da misurare).

4 – Script e modalità di gestione e manipolazione dati da TTN

Lo storage TTN permette, con appositi comandi HTTP e l’utilizzo di API, di acquisire i messaggi di uplink contenenti le informazioni da elaborare, e permetterne la post-manipolazione per la creazione di stringhe dati in formato custom.
Per lo scopo è stato creato uno script che gira su apposita area FTP che, dopo aver estratto i singoli parametri con le apposite funzioni HTTP, permette di stampare (funzione “echo”) i valori secondo una logica personalizzata (si veda il link alle informazioni real-time: https://www.meteoravanel.it/stazionepiandeigrassi/Stazione_pian_dei_grassi_dati_realtime.php), così come editare e sovrascrivere periodicamente le stringhe da utilizzarsi per l’integrazione da utilizzare sui portali quali Meteonetwork e Meteo 4.
E’ evidente che la possibilità di personalizzazione è totale, dando libertà di creare stringhe finalizzate ad esempio all’integrazione testuale su mappe sinottiche come quella realizzata per le stazioni attive sul territorio di Vittorio Veneto e dintorni (https://www.meteoravanel.it/sinottico/sinottico.html)
Ulteriori possibilità di post-elaborazione e manipolazione sono implementabili ad esempio per calcolare ed eventualmente sottoporre ad output testuale la verifica dell’orario di ultima trasmissione dati; qualora per una mancanza di gateway online o di altre possibili cause il dato non fosse disponibile da più di un tempo prestabilito (ad esempio 3 ore), lo script creerà una stringa con la segnalazione “Stazione offline” o similare.

5 – Conclusioni

Questo articolo (che non ha pretese di essere esaustivo e completo, ma è da intendersi come “linea guida” approcciando con un taglio molto pratico) permette di approcciare alle interessanti possibilità offerte dalle tecnologie IoT, mostrando un esempio concreto mediante un semplice progetto LoRaWAN per il monitoraggio meteorologico. Gli sviluppi e le personalizzazioni che sono implementabili sia a livello amatoriale che industriale (molte di esse già disponibili anche per utilizzi professionali) promettono ulteriori ampliamenti di applicazioni e semplificazione e ottimizzazione dei processi.

Proprio grazie a questa flessibilità ed adattabilità, all’interno della sezione  “Innovative measurements, techniques and integration” della conferenza mondiale WMO TECO  di Parigi (Technical Conference on Meteorological and Environmental Instruments and Methods of Observation), sarà presentato un poster specifico che è stato selezionato dal comitato organizzatore; si vedano i dettagli a questo indirizzo: http://meteoravanel.it/progetto-cansiglio/il-progetto-meteo-cansiglio-volera-alla-conferenza-mondiale-della-meteorologia-di-parigi/

Un utilizzatore finale, come un appassionato di meteorologia dotato di basilari conoscenze, è quindi ora in grado di auto-assemblare, configurare ed attivare una stazione base che permette di acquisire, memorizzare ed eventualmente integrare su reti pubbliche i dati misurati, sfruttando la tecnologia LoRaWAN che è in forte sviluppo sia in termini di nodi che di gateway disponibili, riducendo i costi dell’hardware e favorendo la conoscenza dell’IoT.

 

 

Sitografia tecnica e riferimenti per l’acquisto dei materiali (luglio 2022)

LSN50-V2 — Waterproof Long Range Wireless LoRa Sensor Node https://www.dragino.com/products/lora-lorawan-end-node/item/155-lsn50-v2.html

Pluviometro Misol WH-SP-RG https://www.amazon.it/MISOL-Ricambio-stazione-misurare-pluviometro/dp/B00QDMBXUA

Sensore SHT31: https://sensirion.com/products/catalog/SHT31-DIS-B/ (acquisto su https://it.aliexpress.com/item/1005003942132002.html o già combinato a LSN50-V2 https://it.aliexpress.com/item/1005001829590698.html e https://www.antratek.com/catalog/product/view/id/4510/s/lsn50v2-s31-lorawan-temperature-humidity-sensor/category/1036/)

Storage integration e HTTP API Things Stack Cloud https://www.thethingsindustries.com/docs/integrations/storage/retrieve/

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