Premessa

In questi ultimi mesi del 2022, anno in cui scrivo questo articolo e pubblico questo mio nuovo progetto, l'incertezza geopolitica che interessa i confini orientali dell'Unione Europea ha portato in risalto mediatico dopo tanti anni di silenzio, l'argomento spinoso relativo al rischio di un nuovo incidente nucleare a ridosso delle nostre porte. Evitando volutamente di entrare nel merito dei mille torti o delle mille ragioni che hanno scaturito quanto sta accadendo, questi fatti hanno inevitabilmente acceso ancora una volta nella popolazione, l’irta preoccupazione sui pericoli derivati da un'improvvisa emergenza nucleare, che potrebbe tragicamente interessarci.

Per chi come me ha vissuto in modo diretto l'incubo di Chernobyl, seppur da bambino e con la consapevolezza che la tenera età poteva concedere, ricorderà benissimo cosa accadde in quei travagliati giorni. Il nostro Paese, infatti, fu interessato come molti altri del quadro europeo, dal fallout radioattivo proveniente dall'Ucraina, che all'epoca dei fatti narrati, era ancora un paese confederato dell'ex Unione Sovietica. Un reattore nucleare appartenente alla centrale elettronucleare "Vladimir Il’ič Lenin" era esploso a causa di un errore umano (ma questo si seppe solo molto tempo dopo), disperdendo in atmosfera con un vasto incendio durato giorni, gran parte del combustibile nucleare che conteneva. I venti primaverili che spiravano verso occidente in quei giorni, contribuirono a distribuire gran parte delle polveri radioattive verso i paesi limitrofi, interessando gran parte dei nostri spazi nazionali.

L'incertezza che imperversò nelle popolazioni di mezza Europa in quei giorni, era derivata in gran parte all’imprevedibilità dell’evento, dall’impossibilità di contenerlo, ma soprattutto di valutare accuratamente il grado di contaminazione in corso e i danni che da questo avrebbero potuto scaturire. All’epoca dei fatti, parliamo dell’aprile del 1986, i contatori Geiger-Muller e gli scintillatori, non erano strumenti facilmente reperibili sul mercato e il loro utilizzo, rimaneva pertanto di solo appannaggio degli addetti al lavoro degli enti statali preposti. Del pericolo intrinseco sviluppato dalle radiazioni poi, il popolo ne sapeva ben poco e tutta la conoscenza che si poteva apprendere in quei giorni, derivava principalmente dai servizi trasmessi alla TV. Fortunatamente, le autorità italiane fecero un ottimo lavoro in merito, attuando non solo un'accurata analisi delle aree a rischio del nostro paese, ma anche un'imponente campagna di informazione radicale, che metteva in guardia le persone sui pericoli derivati dal restare all'aperto, sotto la pioggia o del cibarsi di latte, carne o ortaggi che potevano risultare gravemente contaminati dal fallout. Tuttavia, l'apprensione che attanagliò le persone in quei giorni, assunse valori non di poco conto, costringendo chiunque a fare i conti con un'entità pericolosa quanto invisibile, persi nell'impossibilità più totale di valutare personalmente il pericolo che li circondava. Anche in questi mesi, dove i fatti che giungono dai confini orientali del nostro continente, sono tutto fuorché rassicuranti, si nota nelle persone una certa apprensione e insicurezza. Amici e conoscenti, inoltre, risaputa da tempo la mia passione per la misura della radioattività, sono a chiedermi sempre più spesso rassicurazioni sulla situazione che li circonda, pregandomi di accedere al misuratore Geiger-Müller, per dar loro interpretazione di quanto rilevato. Per soddisfare queste richieste ormai quasi quotidiane pertanto, ho deciso di costruire una centrale fissa di misurazione, che oltre a raccogliere dati giornalieri circa l'andamento del fondo naturale di radiazione presente nella mia città (anche se sarebbe meglio dire "nei pressi di casa mia"), potesse anche pubblicarne i valori su questo sito web, favorendo così, chi fosse interessato, a un veloce e facile accesso ai valori delle letture.

La stazione di rilevamento Teolab-1 EMS (Environmental Monitor Station)

A seguito degli avvenimenti geopolitici appena citati, ho deciso di progettare e poi costruire nel tempo libero, la stazione di controllo ambientale Teolab-1 EMS. L'intento era quello di creare un'unità di acquisizione automatica dei valori del fondo naturale di radiazione, che oltre a catalogare giornalmente i dati per future elaborazioni al computer, provvedesse a pubblicarli anche sul presente sito web per una facile ed intuitiva consultazione. Sin dall'inizio uno dei requisiti fondamentali della stazione di misura è stato quello di predisporla a funzionare ininterrottamente per 365 giorni all'anno, 7 giorni su 7, 24h su 24 e possibilmente con un minimo intervento manutentivo da parte mia. Non avendo nella mia vita professionale ideato mai nulla di simile, la stesura del progetto ha richiesto uno studio approfondito iniziale, durante il quale ho pianificato accuratamente la road map che avrebbe poi portato alla realizzazione pratica dell'hardware necessario. Sin da subito, infatti, sembrava evidente che la stazione di misura sarebbe stata incentrata sulla semplice presenza di un contatore Geiger-Müller applicato a una scheda di controllo a microntrollore, ma come sempre in questi casi, ho iniziato subito a spaziare sulle infinite possibilità di rilevamento implementabili, in grado di estendere notevolmente le possibilità della stazione, trasformando così la semplice idea del rilvelatore di radioattività ambientale, in un rivelatore meteorologico completo di analizzatore del fondo naturale di radiazione. E' così che è nato il progetto di Teolab-1 Environmental Monitor Station.

I requisiti fondamentali che avrebbero dovuto caratterizzare la stazione di misura, sarebbero stati i seguenti:

• raccogliere i dati del valore di fondo naturale di radiazione, campionandone l'entità con sessioni di acquisizione di un minuto;
• con la stessa cadenza temporale acquisire i principali dati meteorologici relativi alla zona preposta, quali: temperatura, umidità, dew point, pressione atmosferica, velocità/direzione del vento e pluviometria giornaliera;
• memorizzare tutti i dati rilevati in un luogo sicuro, catalogandoli in un formato facilmente elaborabile a PC (files "csv");
• trasferire i dati delle misure rilvevate al presente sito web, per la successiva pubblicazione numerica e grafica in apposita pagina dedicata;
• inviare un'email di allerta al sottoscritto in caso di dati importanti rilevati nel corso della misurazione, oppure in caso di anomalie alla stazione di misura stessa.

Per espletare tutte queste funzioni, la stazione avrebbe necessitato del seguente hardware:

1. un contatore Geiger-Müller per il rilevamento del fondo naturale di radiazione, completo di sonda di misura dimensionata per l'acquisizione sia delle radiazioni corpuscolari (α,β,μ+,μ-), che elettromagnetiche (γ, X);
2. una serie di sensori meteorologici per rilevare le grandezze citate in precedenza al punto 2 dei "requisiti fondamentali" della stazione di misura;
3. una scheda elettronica di controllo principale a microcontrollore (da ora: EMS-PCB) in grado di gestire tutti i sensori citati, eseguire le conversioni matematiche necessarie e poi spedire via USB i dati elaborati;
4. un mini PC completo di sistema operativo, collegato a EMS-PCB via USB.

Sul mini PC sarebbe stata ospitata una mini App (da ora EMS-App), che avrebbe infine espletato i seguenti compiti:

1. fungere da catalogatore e archiviatore dei dati rilevati su lungo periodo;
2. gestire le comunicazioni con il server web remoto via FTP, per la visualizzazione pubblica dei dati in una pagina dedicata (punti 5/6/7 dello schema grafico sottostante)

Il progetto prende forma

Una volta terminata la stesura del progetto, mi sono dedicato alla scelta dei sensori che avrebbero dovuto equipaggiare la stazione di misura Teolab-1 EMS. Avendo maturato negli anni tanta esperienza con il progetto del misuratore Geiger-Müller AlphaTeo, l'integrazione del detector dedicato al rilevamento del fondo naturale di radiazione, non ha comportato grosse perdite di tempo. E' stato sufficiente prendere uno dei circuiti stampati già costruiti in passato per i manipoli dello strumento e adattarlo al nuovo hub di rilevamento della stazione.

Questo PCB, denominato AlphaTeo-3.0-Probe, ospita tutta la circuiteria necessaria al funzionamento ottimale della sonda Geiger-Müller prescelta e denominata LND 712. Questo trasduttore, sensibile sia alle particelle corpuscolari α e β, sia alle elettromagnetiche x e γ, si è rivelato come sempre la scelta migliore per analizzare il fondo naturale di radiazione, avendo un'ampia gamma di rilevamento, adatta alle più disparate radiosorgenti di cui non si conosce entità e caratteristiche emissive.

La circuiteria di AlphaTeo-3.0-Probe è stata dimensionata per contenere al suo interno:

• un DC/DC converter che eleva la tensione di alimentazione di 3,3 Vdc a 500 Vdc per il funzionamento della sonda di misura al centro del corridoio di linearità;
• un rivelatore di impulsi generati dalla sonda in presenza di radiazione ionizzante;
• un discriminatore di spurie con riduzione attiva del rumore;
• un adattatore di segnale per la successiva elaborazione a microcontrollore;
• un connettore RJ45 per il raccordo con la scheda principale di controllo EMS-PCB.

Per contenere l'entità della caduta di tensione anodica della sonda, nonché il rumore elettrico generato dal sistema, AlphaTeo-3.0-Probe ha trovato posto direttamente nell'hub del rivelatore esterno di radiazione, proprio a pochi millimetri di distanza alla sonda di misura.

Per rilevare i dati meteo, invece, ho scelto sensori noti per la loro semplicità di interfacciamento con i più comuni microcontrollori esistenti sul mercato e per la loro discreta precisione. Interfacciano con la scheda principale EMS-PCB, attraverso appositi bus a loro dedicati:

• Temperatura interna del quadro di controllo: DS18B20
• Temperatura e umidità ambientale: DHT22
• Pressione atmosferica: BMP085

Alla scheda EMS-PCB, inoltre, possono essere implementati anche i seguenti sensori:

• Rivelatore direzionale di raggi cosmici (attivo a breve);
• Camera di scintillazione omnidirezionale per rivelatore di raggi cosmici (in costruzione);
• Anemometro e anemoscopio per il monitoraggio del vento (attivi a breve);
• Pluviometro giornaliero per la valutazione dei mm caduti di pioggia (attivo a breve).

Essendo EMS-PCB dotata anche di due Mikrobus socket, è possibile integrare alla scheda principale di misura, qualsiasi sensore previsto da questo standard, come ad esempio:

• Sensore di fulmini "Thunder click";
• Sensore della qualità dell'aria "Air quality 2 click";
• Sensore indice UV "UV click";

oppure interfacce di comunicazione, come:

• controller WiFi;
• controller Ethernet.

Ad eccezione del DS18B20 che per ovvie ragioni è collocato all'interno del quadro elettrico della stazione di misura (deve rilevare la temperatura interna del quadro elettrico della stazione di misura), i sensori DHT22 e BMP085 trovano posto nell'hub di rilevamento meteorologico dedicato posto all'esterno. Tutta la rete sensoristica fa capo alla scheda principale di controllo EMS-PCB. A questa unità è demandato tutto il controllo embedded della stazione di misura Teolab-1 EMS.

La scheda di controllo EMS-PCB

Ho progettato questa scheda perché fosse interamente indipendente nella supervisione delle funzionalità della stazione. Per eseguire quest'importante compito ho affidato la gestione generale del dispositivo a un microcontrollore Microchip a 8 bit, denominato PIC18F87K22. Conosciuto nell'ambiente per essere un microntrollore entry level dalle ottime prestazioni (oltre ad avere un oscillatore interno, overclockabile con PLL sino a 64MHz, adotta anche la XLP nano watt technology), ospita al suo interno una flash memory da ben 128 kB (più 4kB di SRAM e 1kB di EEPROM), sulla quale ho provveduto a caricare il firmware specifico gestionale, che ho scritto e compilato in MikroC di MikroE.

La scheda nel suo insieme appare così e presenta le seguenti caratteristiche:

1. è dotata di un microcontrollore a 8 bit del tipo PIC18F87K22 overclockabile in PLL sino a 64MHz che rappresenta il cervello del sistema;
2. è dotata di un display TFT a colori da 2,8" con risoluzione 320x240, completo di touch screen resistivo come interfaccia utente (qui appare omesso per vedere l'hardware sottostante);
3. è dotata di due socket mikrobus (MB1 e MB2) per l'interfacciamento alle pratiche espansioni "click board" di MikroE che possono ospitare moduli ethernet, wifi, ma anche sensori aggiuntivi;
4. è dotata di un alimentatore switching integrato in grado di generare le tensioni necessarie al funzionamento della scheda (3,3VCC/3A e 5VCC/3A);
5. è dotata di slot per miroSD card, dove possono essere memorizzati i dati rilevati dai sensori, nonché i media necessari al funzionamento dell'interfaccia utente costituita dal display TFT;
6. è dotata di minispeaker piezoelettrico per emissione di segnali sonori personalizzati;
7. è dotata di interfaccia UART/USB (con chip FT232RL) per tutte le comunicazioni con dispositivi esterni (come ad esempio un PC);
8. è dotata di slot per l'inserimento di una Instrument Measure Unit (IMU);
9. è dotata di un connettore flat cable bus a 14 pin per l'interfacciamento della scheda ad altri dispositivi (sono presenti: 2 bus UART-TTL, 1 bus SPI completo di CS e RST line, 1 bus I2C, alimentazioni 3,3Vcc e 5Vcc);
10. è dotata di un connettore per il bus I2C su cui è possibile collegare sensori o perifieriche esterne che utilizzino questo protocollo;
11. è dotata di due connettori specifici per il bus One-Wire su cui è possibile integrare i sensori termici della serie DS1820 e DHT11/22;
12. è dotata di un connettore con uscita protetta da fusibile a 12Vcc per l'alimentazione del ventilatore di raffreddamento della stazione di misura;
13. è dotata di un connettore per la programmazione in-circuit del microcontrollore;
14. è dotata di quattro connettori RJ45 per il collegamento delle unità di controllo dei tubi Geiger-Müller AlphaTeo (una per il rivelatore del fondo naturale di radiazione, tre per il rivelatore direzionale di raggi cosmici);
15. è dotata di un connettore per il tick-tick speaker esterno del rivelatore del fondo naturale di radiazione (escludibile con un apposito jumper, permette di udire il ticchettio tipico della radioattività);
16. è dotata di connettore RJ11 per l'interfacciamento con i sensori del vento (anemometro e anemoscopio);
17. è dotata di connettore RJ11 per l'interfacciamento con il pluviometro;
18. è dotata di un connettore innestabile per il cavo di alimentazione a 12VCC proveniente dall'alimentatore principale della stazione di misura.

La stazione Teolab-1 EMS prende forma:

dopo aver realizzato e montato la scheda EMS-PCB a mio laboratorio, nonché programmato il relativo microntrollore con il firmware di controllo, ho provveduto a installarla nella parte bassa del quadro stagno in ABS che avrebbe dovuto ospitare l'intero hardware della stazione ...

Nella parte alta del quadro, invece, ho collocato la barra din destinata a sorreggere:

• i connettori di raccordo con l'alimentazione elettrica a 230Vca 50Hz monofase;
• il filtro antidisturbo della stazione di misura;
• gli interruttori automatici magnetotermici da 2A (in curva C) per la protezione degli alimentatori della stazione.

Questi ultimi due componenti, oltre ad offrire opportuno sezionamento in caso di manutenzione, servono a proteggere rispettivamente dai cortociruiti e dai sovraccarici i seguenti componenti presenti all'interno del quadro, come:

• l'alimentatore da 70W con uscita 12VDC-5A destinato alla scheda EMS-PCB;
• l'alimentatore a 12VDC-3A destinato all'alimentazione del mini PC;

Sul fondo del quadro è posizionato il ventilatore di raffreddamento filtrato e il raccordo con i cavi di alimentazione elettrica e rete ethernet, mentre sul portello di chiusura e ispezione, trovano posto il filtro di scarico dell'aria di raffreddamento e il mini PC. Nell'insieme, pertanto, l'interno della stazione di misura si presenta così:

All'esterno del quadro plastico in ABS, rispettivamente sul fianco sinistro e destro, trovano posto i due hub di misura al cui interno ho provveduto a collocare i sensori per il fondo naturale di radiazione e per la misura delle grandezze meteorologiche. Questi sono così suddivisi:

• Hub 1 o Hub Sx: contiene, espone all'ambiente ma al contempo protegge il tubo geiger LND712 e la relativa scheda di controllo AlphaTeo-3.0-Probe;
• Hub 2 o Hub Dx: contiene, espone all'ambiente ma al contempo protegge il sensore di temperatura e umidità esterno DHT22 e il sensore di pressione atmosferica BMP085.

I dati misurati dalla stazione di misura Teolab-1 EMS, raggiungono questo sito web alla pagina "https://www.teolab.it/teolab-1-monitor-station" grazie al mini PC di cui la stazione stessa è dotata. Su questo piccolo dispositivo è installato il sistema operativo che permette all'EMS-APP di ricevere i dati da EMS-PCB via USB, memorizzarli su disco e successivamente impacchettarli e inviarli via FTP al server web Teolab.it.