Le attività dell'uomo vengono portate avanti all'interno di ambienti. Che siano stati creati dall'uomo o naturali, gli ambienti sono stati oggetto di ricerca e di scoperte scientifiche fin dagli albori dell'umanità.
Le popolazioni in tutto il mondo sono continuamente alla ricerca di maggiori informazioni sui luoghi in cui vivono, lavorano e si sviluppano, non solo per proteggere in modo efficace l'ambiente, ma anche per comprendere i rischi e gli impatti di tali ambienti sulla salute, la sicurezza e più in generale la vita dell'uomo. Inoltre, i fenomeni di scioglimento delle calotte polari, subsidenza delle coste, aumento della temperatura globale ecc. sono state conseguenze osservabili del progresso dell'uomo sulla delicata e complessa armonia degli ambienti in tutto il pianeta. Ora, un interesse senza precedenti nelle questioni inerenti l'ambiente è diventato una priorità di scienziati, decisori politici e cittadini comuni. A completamento di questa maggiore consapevolezza della nostra ecologia e dei nostri habitat, le nuove tecnologie per sensori e le reti di sensori stanno semplificando la raccolta e la diffusione di informazioni sull'ambiente. Anche se le apparecchiature per il rilevamento sono state utilizzate per decenni in applicazioni specializzate, la drastica riduzione dei costi ha reso il rilevamento ambientale sempre più accessibile a tutti e viene impiegato anche per banali applicazioni domestiche. La figura sotto riportata delinea le tecnologie generali per sensori disponibili sul mercato che vengono implementate in applicazioni ambientali oltre che in un'ampia gamma di applicazioni personali/commerciali. Una combinazione di sensori viene sempre più integrata in dispositivi smart come smartphone e dispositivi indossabili per ottenere informazioni uniche e misurazioni personali che modificano il modo di percepire non solo l'ambiente ma anche noi stessi.
Figura 1: tipi e categorie di sensori
In questo articolo, ci concentriamo sulle applicazioni di tecnologie per sensori ambientali e sulle tendenze principali che costituiscono questo dinamico mercato in crescita.
Tecnologia e applicazioni di rilevamento ambientale.
Sensori e dispositivi di misurazione sono diventati indispensabili praticamente in tutti i settori industriali e della vita moderna e la società ha assistito al loro ampio utilizzo in applicazioni ambientali che vanno dal semplice rilevamento del monossido di carbonio in casa a complesse valutazioni delle condizioni della strada. Le applicazioni per sensori ambientali interessano cinque distinti campi, come indicato in figura 2.
Figura 2: campi di applicazione dei sensori ambientali.
In tutti questi campi il principale compito dei sensori è quello di misurare le concentrazioni di metalli (radio, uranio ecc.), gas (CO2, NO2, ozono, CO ecc.), composti organici (benzene, metano) e patogeni biologici (alghe, batteri ecc.). Inoltre, le misurazioni di pressione, umidità e temperatura sono comuni. Un'ampia gamma di tecnologie di rilevamento basate su semiconduttori sono ora disponibili in un numero sempre maggiori di piccoli fattori di forma e la maggior parte di loro funziona in modalità passiva o attiva. Un sensore passivo non necessita di alcuna fonte di energia aggiuntiva e genera direttamente un segnale elettrico in risposta a uno stimolo esterno. Termocoppie, fotodiodi e sensori piezoelettrici sono tutti tipi di sensori passivi. Il funzionamento dei sensori attivi richiede un'alimentazione esterna.
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In quasi tutti i casi, i sensori sono componenti all'interno di più grandi sistemi di controllo e misurazione e il grado di sofisticatezza e di sensibilità del sistema di sensori si basa sull'interpretazione e l'analisi dei segnali dei sensori da parte di un software. Indipendentemente dal tipo di sensore, il settore dei sensori sta andando incontro a una vera e propria esplosione delle applicazioni poiché i costi inferiori e le più potenti funzionalità ne stanno facendo aumentare il valore in tutti i campi.
Principali tendenze nel rilevamento
Man mano che è continuata la rivoluzione digitale degli ultimi trent'anni, i sensori hanno assunto un ruolo sempre più centrale nel facilitare una nuova generazione di applicazioni. In particolare, il paradigma dell'Internet delle cose (IoT) si affida su input e analisi per introdurre nuove fonti di valore per i soggetti interessati. L'innovazione continua su un'ampia gamma di fronti sta introducendo diverse importanti tendenze nella tecnologia per sensori:
Prestazioni dei sensori: le prestazioni di un sensore sono funzione della sensibilità, dell'accuratezza e dell'affidabilità dei suoi segnali in uscita. Le innovazioni nel settore dei nuovi materiali, delle tecniche di rilevamento, fabbricazione e confezionamento hanno contribuito tutte quante alla significativa riduzione dei costi ma anche al miglioramento della sensibilità. Ad esempio, solo negli ultimi vent'anni, la sensibilità dei sensori per gas è migliorata, passando da 50 ppm a circa 10 ppm. Nello stesso lasso di tempo, il costo unitario dei sensori per gas si è ridotto a un terzo (figura 3). La maggiore tendenza a includere i sistemi micro-elettromeccanici (MEMS) e, più di recente, i sistemi nano-elettromeccanici (NEMS) nei dispositivi di rilevamento ha migliorato enormemente l'accuratezza e l'affidabilità dei sensori. Inoltre, il crescente uso di elementi di misurazione in silicio (anche per parametri di calore e chimici) ha portato a un aumento delle funzioni dei sensori. Al tempo stesso, l'incertezza delle misurazioni è anche diminuita grazie alle tecnologie di confezionamento ottimizzato, migliorando di conseguenza la riproducibilità e la stabilità a lungo termine persino per applicazioni intensive. La tendenza verso prestazioni crescenti introdurrà dispositivi ipersensibili che troveranno applicazione soprattutto nei primi sistemi di rilevamento che portano schemi di enorme riduzione dei costi in ambito industriale, commerciale e personale.
Figura 3: tendenze di costi e prestazioni nei sensori per gas (Fonte: Prof. Jeff Funk, New Generation MEMS Gas Sensors)
Miniaturizzazione: le prestazioni straordinariamente maggiori dei sensori sono state raggiunte riducendo al tempo stesso il fattore di forma e i consumi energetici del sensore. Ad esempio, nell'arco di quarant'anni, i sensori per gas sono passati da una grandezza di 17 mm a meno di 2 mm (figura 4). In particolare, questo cambiamento del fattore di forma è stato accompagnato dal dimezzamento dei consumi energetici.
Figura 4: miniaturizzazione dei sensori per gas (Fonte: Professor Jeff Funk, New Generation MEMS Gas Sensors)
Le dimensioni ridotte e i minori consumi energetici stanno facendo aumentare la portabilità e allungare la durata dei sensori. Senza dover contare sull'alimentazione della rete elettrica, i sistemi per sensori alimentati a batteria stanno ora consentendo nuovi paradigmi di monitoraggio. Delicate aree e ambienti industriali in cui la corrente elettrica è scarsa possono ora essere monitorati con un minimo impatto. Il rilevamento al silicio sta garantendo che la tendenza alla miniaturizzazione che ha determinato i cambiamenti nelle capacità di elaborazione (legge di Moore) sia anche un pilastro per le tecnologie per sensori. Il più grande vantaggio della miniaturizzazione è di gran lunga la capacità di integrare sensori nelle tecnologie per dispositivi indossabili e smartphone.
Figura 5: spedizioni di sensori ambientali in cuffie e tablet (Fonte: IHS Emerging Sensors in Handsets and Tablets Report (Rapporto sui sensori emergenti nelle cuffie e nei tablet) – 2014)
Integrazione: Un'altra tendenza tecnologica in atto consiste nell'uso di numerosi sensori in un unico dispositivo per applicazioni di massa. L'integrazione di numerosi sensori in un array di sensori, ad es. su una piastra calda, insieme al riconoscimento dei pattern sta introducendo nuovi dispositivi che eseguono più di un tipo di rilevamento. Ora è realistico ottenere funzionalità come il rilevamento di più gas e il rilevamento di condizioni ambientali fisiche come temperatura, umidità e pressione e trovare un loro impiego in applicazioni commerciali e personali. L'abbinamento di sensori fisici, chimici e biologici su un singolo sensore, ad es. per la misurazione della pressione, dell'acidità ecc. sta cambiando la natura del lavoro in laboratorio. Un dispositivo “dotato di sensore ambientale su un chip” non è più solo un'idea astratta e può potenzialmente velocizzare il rilevamento ambientale e ridurre il costo dell'analisi in modo sensibile.
Figura 6: integrazione di vari sensori ambientali
Standardizzazione e sicurezza: poiché i sensori fanno sempre parte di più ampi sistemi di controllo, la semplicità di integrazione con la quale uno specifico sensore o un modulo con più sensori può essere integrato in un sistema più ampio è determinante. Inoltre, con così tanti sensori, che inviano tutti quanti dati in continuazione, l'esigenza di avere interfacce che aiutino a sfruttare i dati è essenziale. È chiaramente necessario standardizzare i protocolli di connettività e comunicazione poiché la trasmissione di dati tra domini offre informazioni utili. Inoltre, i progetti di sistemi su chip che integrano i moduli di rilevamento con moduli standard di alimentazione, elaborazione e RF stanno prevalendo sempre più. Questo modello di standardizzazione di progettazione e comunicazione riduce costi, dimensioni dei dispositivi e consumi energetici pur aumentandone le funzionalità e l'ambito di applicazione dei dispositivi.
Figura 7: nodi di rilevamento ambientale integrati
La sicurezza rappresenta un ulteriore significativo vantaggio della standardizzazione. Con un'ampia gamma di minacce alla sicurezza che interessano tutte le reti e i dispositivi digitali, è fondamentale che i sensori e le reti di sensori non siano fonte di vulnerabilità. Il rispetto degli standard definiti garantisce che i risultati dei sensori non vengano manipolati e che solo ricevitori autorizzati possano riceverli.
Autonomi e intelligenti: man mano che si moltiplicano intorno a noi sensori dalle grandi capacità, non vi sono dubbi che saremo in grado di comprendere molto del nostro ambiente e dei cambiamenti che si verificano al suo interno. I dispositivi dotati di sensori migliorano rapidamente per ottenere modalità di funzionamento autonome e più intelligenti. La chiave di tale efficienza operativa risiede nell'adeguata elaborazione dei dati di rilevamento. Informazioni fedeli spesso richiedono di riunire dati provenienti da più fonti. Inoltre, i dati di cui è stato studiato l'andamento sono spesso più utili rispetto a misurazioni discrete. Per ottenere una tale modalità di funzionamento, si è già esplorata la possibilità di aumentare l'integrazione funzionale grazie a componenti fortemente integrati nell'elettronica dei sensori. Il rilevamento dei pattern, l'acquisizione di dati aggiuntivi e l'analisi avanzata degli algoritmi sono fondamentali per portare i dati dei sensori al livello successivo. A questo scopo, i dispositivi dotati di sensori sono sempre più dotati di analisi integrate e si connettono inoltre a piattaforme cloud per ottenere nuove informazioni. Il dispositivo dotato di sensore in sé è sempre più integrato con funzionalità come l'automonitoraggio, il rilevamento delle interferenze e la diagnosi, l'auto-taratura (auto-regolazione) e la riconfigurazione. Mediante queste funzionalità si può far sì che la manutenzione preventiva comporti potenzialmente forti riduzioni dei costi operativi in ambito industriale e commerciale. Un'altra area in cui i dispositivi dotati di sensori stanno facendo progressi sono l'usabilità e la semplicità di implementazione (per interfacce di comunicazione integrate, funzionalità "plug and play", il posizionamento automatico ecc.) per adattarsi al contesto ambientale.
Per ottenere una modalità di funzionamento autonoma, seppure fortemente integrata, è necessario adottare un approccio olistico alla progettazione dei sensori, che coinvolga l'impiego di nuovi strumenti di progettazione 3D, elaborazione FEM (metodo degli elementi finiti), integrazione con Matlab/Simulink e l'uso di dati completi ed esatti. Inoltre, l'unione dei dati ottenuti da diversi sensori fisici per fornire informazioni più complete da un unico sensore "logico" o "virtuale" è un'area chiave diventata obiettivo degli innovatori di sensori.
Tutte le tendenze sopra indicate introdurranno nel nostro mondo cambiamenti del tutto nuovi. Insieme, gli sviluppi nel cloud, nella tecnologia per sensori, nei dispositivi indossabili e negli smartphone probabilmente comporteranno una maggiore consapevolezza degli ambienti nei quali viviamo, lavoriamo e giochiamo. Non è difficile concepire un mondo in cui le reti di sensori forniscono, direttamente sui nostri smartphone, informazioni sui livelli di inquinamento dell'aria, sulle condizioni delle strade, sui livelli di rumore, sulle condizioni atmosferiche, i livelli di radiazioni e la qualità dell'acqua dell'ambiente immediatamente intorno a noi. Mentre queste sono tutte applicazioni urbane, esiste un set altrettanto ampio di flussi di dati che saranno disponibili in aree incontaminate e in aree sensibili dal punto di vista ambientale come il rilevamento degli incendi nelle foreste, il rilevamento del livello di ozono, il rilevamento del tasso di fusione dei ghiacci, la salinità ecc. Tutte queste informazioni non solo ci permetteranno di controllare gli ambienti ma anche di comprenderli in modo nuovo.
Riepilogo
I sensori ambientali sono determinanti per rendere possibile un mondo maggiormente connesso. Dal fornire informazioni sull'ambiente che ci circonda all'aiutarci ad affrontare il cambiamento climatico a livello mondiale, i sensori e le reti di sensori stanno cambiando sostanzialmente la consapevolezza dell'ambiente che ci circonda. Gli spazi ambientali, industriali, commerciali e personali stanno tutti utilizzando dispositivi dotati di sensori persino più intelligenti per introdurre nuovi approcci alla sicurezza, al controllo e al monitoraggio. I sensori stessi stanno assistendo a nuovi sviluppi in un'ampia gamma di dimensioni – le funzionalità dei sensori si stanno ampliando rapidamente migliorando al tempo stesso accuratezza e affidabilità, i sensori si stanno riducendo sempre più, per consumi energetici e fattore di forma, i dispositivi multi-sensore stanno diventando più comuni poiché trovano ambiti di applicazione più ampi e nuovi livelli di integrazione tra sensori multipli e altri componenti stanno raggiungendo nuove possibilità. È ormai chiaramente realistico pensare a un futuro in cui i sensori sono autonomi e intelligenti e tutto ciò porterà con sé nuove possibilità non solo per efficienza operativa e riduzione dei costi ma anche per lo sviluppo di nuove possibilità di proteggere salute e sicurezza dell'uomo, oltre a benessere generale del nostro pianeta.