Il progetto mira a realizzare un dispositivo elettronico in grado di rilevare la presenza di sostanze inquinanti derivanti dall'utilizzo di Fitofarmaci in aree agricole (vigneti, frutteti, campi adibiti alla coltivazione di ortaggi, etc.). Il dispositivo avrà la funzione di un vero e proprio accessorio per smartphone, collegabile tramite micro-usb. Una volta collegato allo smartphone, un'app andorid appositamente implementata consentirà all'utilizzatore di visualizzare in real-time tutti i dati rilevati dal sensore e di memorizzarli sulla memoria interna dello smartphone. Esso potrà anche essere utilizzato nei centri urbani adiacenti alle suddette aree agricole in modo da fornire un indicatore globale sull'utilizzo eccessivo o improprio di tali sostanze all'interno del territorio comunale.
Le dimensioni ridotte della scheda Infineon XMC 2 GO facilitano la portabilità di questo "accessorio" per smartphone e al tempo stesso lo rendono user-friendly per qualsiasi utilizzatore.

I fitofarmaci vengono impiegati in diversi campi dell’agricoltura. Ci sono diversi tipi di fitofarmaci e diverse quantità da utilizzare a seconda del tipo di prodotto agricolo. Alcuni di questi fitofarmaci rilasciano residui che si depositano sul prodotto agricolo o al suo interno, altri rilasciano un residuo che si deposita nel terreno, altri ancora rilasciano un residuo nell’aria. L’obiettivo dell’applicazione è quello di rilevare i soli elementi che i fitofarmaci rilasciano nell’aria, utilizzando dei sensori di gas.
Facendo una analisi dei più comuni sensori di gas a basso costo presenti sul mercato, si sono individuate le sostanze che è possibile rilevare:
 

Per realizzare un dispositivo in grado di rilevare questi elementi inquinanti è necessario costruire un array di 6 sensori:
• TGS 822 (Metano, Monossido di Carbonio, Isobutano, Esano, Benzene, Etanolo)
• TGS 2602 (idrogeno, Ammoniaca, Etanolo, Toluene)
• MQ2 (Idrogeno, GPL, Metano, Monossido di carbonio, Alchool, Propano, Smoke)
• MQ131 (Ossido nitrico, Cloro, Ozono)
• MQ136 (Acido solfidrico)
• MQ138 VOC (Mellow, Benzene, Aldehyde, Ketone, Ester )
Ci riserviamo uno studio più accurato sul residuo da fitofarmaco rilasciato nell’aria, verificando la presenza di altre sostanze inquinanti. I fitofarmaci sono impiegati in diverse colture e possono rilasciare migliaia di sostanze nell’aria. L’obiettivo del nostro studio è trovare un insieme finito di elementi che ci riconducono alla maggior parte dei fitofarmaci.

HARDWARE

L’hardware da implementare deve tener conto delle caratteristiche della scheda, da un punto di vista di alimentazione, ed interfacciamento. Proprio per questo motivo si è scelto di utilizzare la scheda XMC 2 GO infineon, in quanto risulta adatta come supporto al nostro hardware.
Breve elenco delle caratteristiche della scheda XMC 2 GO Infineon:
• Dimensioni ridotte 14 x 38.5mm
• Processore: Microcontrollore XMC 1100 (basato su ARM CORTEX) dimensioni 4 x 4mm
• Memoria flash da 64 KB
• Memoria RAM da 16 KB
• Frequenza: 32 MHz clock della CPU, 64 MHz Timer Clock
• Alimentazione: da USB attraverso il Debug probe (J-Link) o 3.3 V alimentazione esterna
• Connettori: 2 array da 8 pin, alle estremità

La scheda XMC 2 GO ha innanzitutto delle dimensioni, molto ridotte 14 x 38.5 mm, caratteristica importante per il progetto,  in quanto permette di ottenere un sistema di dimensioni esigue, interfacciabile facilmente con uno smartphone. Inoltre la possibilità di far comunicare la scheda con uno smartphone è confermata, dall’alimentazione. Infatti essa è pensata per lavorare con tensioni dell’ordine di 3.3V, per cui è intuibile la possibilità di interfacciamento tramite micro-USB, con uno smartphone che al più è alimentato con tensioni dell’ordine di 3.6-3.7V.

PROGETTO HARDWARE

Analizzando le caratteristiche della scheda si può procedere alla progettazione dell’hardware opportuno, che dia la possibilità di leggere in modo corretto le variazioni di conducibilità dei sensori di gas utilizzati.

Caratteristica comune di quasi tutti i sensori di gas è la bassa selettività, ovvero la sensibilità a diversi gas contemporaneamente. Per ovviare a questo inconveniente e utilizzare questi dispositivi in applicazioni reali, occorre combinare le uscite di numerosi sensori diversi fra loro in modo da riuscire ad ottenere con tecniche di “pattern recognition“ quella selettività che il singolo sensore non è in grado di fornire. Risulta quindi evidente che, nel campo dei “nasi elettronici” (array di sensori di gas), l’elettronica di interfaccia  e di elaborazione dei dati viene a rivestire una grande importanza. Infatti, la mancanza di sinergia sensore-interfaccia già a livello di progettazione non permette di ottimizzare le prestazioni in termini di capacità risolutiva del sistema nei confronti dei diversi gas. Spesso questa ultima limitazione è dovuta al fatto che i sensori di gas utilizzati, sono dispositivi a semiconduttore che, dal punto di vista elettrico, si comportano come resistori la cui resistenza varia con la concentrazione dei gas, ma anche in seguito agli effetti di invecchiamento ed alle diverse tipologie di gas da monitorare.

L’idea del circuito di front-end di lettura del sensore di gas, può essere implementata attraverso l’utilizzo di un ponte di Wheatstone, che permette di ottenere valori precisi della resistenza variabile, rappresentata dal sensore. Per una misura più accurata come detto in precedenza si può adottare un array di sensori di gas, in modo tale da ovviare al problema della cross-sensitivity. Per garantire una maggior portabilità si possono utilizzare dei resistori a parametri distribuiti (resistori SMD). 

Inoltre risulta un po’ difficile trovare dei sensori che siano alimentati con tensioni inferiori ai 5 V. Per tale motivo si può utilizzare, sia per l’ingresso che per l’uscita del circuito di lettura analogico, un convertitore di livello che collega una periferica alimentata a 3,3V con un sistema alimentato a 5V. Ad esempio si può utilizzare il convertitore di livello TXB0108, essendo anche bidirezionale.

DATA PROCESSING

Per quanto concerne l’elaborazione dei dati provenienti dal dispositivo, essi saranno mandati in ingresso ad un classificatore che, grazie ad algoritmi opportunamente progettati per riconoscere le sostanze dannose, sarà in grado di fornire in output i valori precisi dei livelli di sostanze emesse. Onde garantire una certa affidabilità dei dati in output sarà necessario realizzare a monte un sistema di addestramento per riconoscere le singole sostanze attraverso strumenti come le reti neurali artificiali. Ciò permetterà di ottenere dei classificatori correttamente configurati da implementare sul firmware.

FIRMWARE  E IDE

Il firmware dovrà  leggere i valori di resistenza dell’array di sensori ed elaborare i dati secondo i criteri di Data Processing illustrati. L’IDE che verrà utilizzato per l’implementazione del firmware sarà DAVE realizzato dalla Infineon e progettato per essere utilizzato sui microcontrollori della famiglia XMC.

APP

L’App che verrà realizzata avrà una duplice funzione: sia quella di fungere da semplice visualizzatore dei dati raccolti dal modulo HW in real-time sia quella di consentire una memorizzazione di tali dati sulla memoria di massa dello smartphone, insieme eventualmente alla posizione GPS letta dal dispositivo e alla data corrente. In tal modo l’accessorio potrà essere utilizzato per l’implementazione di una vera e propria rete di monitoraggio a basso costo facilitando anche il post-processing dei dati rilevati.

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