Progetto di un sistema di allarme di terremoti con Arduino – Parte 1

In questo primo articolo di una serie, introdurremo il progetto di un sistema di allarme di terremoti che genera un segnale di allerta a seguito della detezione di vibrazioni causate dall’arrivo di onde sismiche primarie (o di pressione) chiamate onde P, che viaggiano più velocemente delle successive onde distruttive di terremoto. Il progetto si basa sul sensore accelerometrico a tre assi ADXL335 controllato dal microcontrollore Arduino UNO. Il monitoraggio delle onde sismiche verrà realizzato riportando graficamente le variazioni dell’accelerazione di ogni asse del sensore ADXL335 sul computer utilizzando il software Processing.

Introduzione

I disastri naturali causano migliaia di morti e distruzione di proprietà ogni anno in tutto il mondo. I terremoti e gli tsunami provocati da grandi terremoti sottomarini sono particolarmente preoccupanti perché generalmente sono imprevedibili e si verificano con un preavviso minimo o nullo. Quasi tutti i terremoti sono preceduti da processi fisici comunemente noti come precursori dei terremoti. Uno strumento per il rilevamento degli eventi pre-terremoto è costituito da un sensore di vibrazioni (accelerometro) collegato ad un sistema integrato basato su microcontrollore che, unitamente al relativo software, invia un allarme in forma audiovisiva quando i parametri superano una certa soglia critica. Le misurazioni delle variazioni dinamiche dei parametri indicano una deviazione dai valori di routine. Questa strumentazione consente un monitoraggio comparativo di tali parametri con standard prefissati insieme ad un sistema di allarme attivato da variazioni eccezionali. L’allarme generato permette di mettere in atto le misure preventive di sicurezza.

A causa dell'estrema complessità coinvolta nei processi sismici, attualmente non è possibile una previsione affidabile dei terremoti. Gli attuali progressi tecnologici nella strumentazione sismica e nella comunicazione ed elaborazione digitale, consentono l'implementazione di un sistema di monitoraggio dei terremoti in tempo reale. Dal punto di vista di mitigazione dei rischi sismici, l'allarme rapido del terremoto sta diventando uno strumento pratico per ridurre le perdite umane e la distruzione di edifici pubblici e privati causati da un terremoto. Nell'ultimo decennio, sono stati compiuti progressi verso l'implementazione dell'allarme rapido per i terremoti in Italia, Romania, Taiwan, Giappone, California meridionale e Messico. Attualmente, ci sono molte reti sismiche che utilizzano segnali generati da forte movimento per il monitoraggio dei terremoti in tempo reale. I terremoti sono generati da diversi tipi di movimento all'interno della litosfera (Figura 1).

Figura 1: Sezione della struttura della Terra

Il centro dell'evento primario (epicentro) avviene in una profondità da zero a poche centinaia di chilometri. La profondità dipende dalla situazione geologica, come regola generale; la maggior parte dei terremoti sono generati entro 200 km al di sotto della superficie. Se si verifica un terremoto, vengono generati diversi tipi di onde sismiche. Le onde P sono onde di pressione che hanno la caratteristica di viaggiare ad una velocità più alta rispetto alle altre onde sismiche. Questo tipo di onde costituisce il primo segnale che raggiunge la superficie, e di solito non sono distruttive. Il motivo è che il loro movimento è ortogonale alla superficie e gli edifici sono generalmente ben preparati a resistere a questo tipo di forze. Le onde sismiche sono anche conosciute come onde elastiche perché causano una distorsione temporanea del materiale solido. Le onde sismiche viaggiano attraverso l'interno della Terra: le onde P fanno sì che le rocce si espandano e si contraggano mentre l'onda si muove attraverso il materiale. In realtà, non sono altro che onde sonore; ogni volta che parliamo, la voce produce onde P, ovvero onde di pressione nell'aria. Un altro tipo di onde sismiche sono le onde secondarie dette onde S. Le onde S non possono viaggiare attraverso un fluido come l'aria, ma possono viaggiare attraverso rocce e altro materiale solido simile. Sappiamo che il nucleo esterno della Terra è fluido, quindi le onde S non lo attraversano. Oltre alle onde succitate, ci sono anche due tipi di onde di superficie, un’onda il cui movimento taglia trasversalmente un certo confine, e l’altra ha un movimento di rotolamento.

La prima onda ad arrivare ad una stazione sismografica è l'onda P, seguita dall'onda S e poi dalle onde di superficie. Poiché queste onde viaggiano a velocità diverse, è possibile stabilire quanto è distante il terremoto mediante il calcolo della differenza del tempo di arrivo tra le onde P e le onde S. Le onde di superficie, che viaggiano più lentamente, producono danni agli edifici e alle strade. Le onde primarie P e secondarie S sono onde che viaggiano all'interno della Terra. Il calcolo delle differenze dei tempi di arrivo delle onde originate da un evento sismico come un terremoto, consente la mappatura della struttura interna della Terra. Quasi tutte le informazioni disponibili sulla struttura dell'interno profondo della Terra derivano dalle osservazioni dei tempi di percorrenza delle onde sismiche, dalle riflessioni, dalle rifrazioni e dalle transizioni di fase delle onde sismiche. Le onde P viaggiano attraverso gli strati fluidi all'interno della Terra, ma vengono leggermente rifratte quando attraversano la transizione tra il mantello semisolido e il nucleo esterno liquido. Di conseguenza, si verifica una zona d'ombra dell'onda P. La velocità dell'onda P nei terremoti varia a seconda della regione interna della Terra, da meno di 6 km/s nella crosta terrestre, fino a 13 km/s attraverso il nucleo.

L'avviso di terremoto è possibile acquisirlo rilevando le onde primarie non distruttive che viaggiano più rapidamente attraverso la crosta terrestre rispetto alle secondarie distruttive che sopraggiungono tra l'arrivo dell'onda P e le altre onde distruttive, generalmente dell'ordine di pochi secondi fino a circa 90 secondi per terremoti profondi, distanti e di grandi entità. L'efficacia dell'avviso anticipato dipende dal rilevamento accurato delle onde P e dal livello di emissioni di interferenti vibrazioni del suolo causate da attività locali (come ad esempio il transito di camion, grandi lavori stradali, ecc.) che potrebbero creare falsi avvisi positivi. I sistemi di allerta rapida per terremoti possono essere automatizzati per consentire azioni di sicurezza immediate come l'emissione di allarmi audio-visivi, l'arresto degli ascensori più vicini ai piani, o lo spegnimento delle utenze del gas.

Il progetto

Il funzionamento del circuito del sistema di allarme di terremoti è molto semplice. Il microcontrollore Arduino acquisisce i dati analogici di ognuno dei tre assi X-Y-Z dell’accelerometro sensore di vibrazioni ADXL335 e li converte in valori digitali. I valori digitali dei tre assi vengono elaborati e confrontati con predefiniti valori di soglia minimi e massimi. Se almeno uno dei tre assi presenta un valore (positivo o negativo) al di fuori dei valori di soglia compresi fra il valore minimo e il massimo, il microcontrollore attiva un allarme sonoro mediante l’eccitazione di un buzzer pilotato dal transistor BC547. Contemporaneamente, il display LCD, gestito anch’esso dal microcontrollore Arduino, mostra l’informazione dello stato di allarme del sistema riportando i valori degli assi X, Y e Z. In Figura 2 è riportato lo schema elettrico del sistema di allarme di terremoti. I dati della tensione di uscita di ogni asse vengono trasmessi da Arduino alla piattaforma software Processing mediante la porta seriale a cui è collegato Arduino, poi Processing, dalla stessa porta seriale, riceve questi dati rappresentandoli con un grafico sul monitor di un computer.

Figura 2: Schema elettrico del sistema di allarme di terremoti

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