Dal segnale analogico alla pagina web: acquisizione, trasmissione e pubblicazione del dato

Dalla grandezza fisica al segnale analogico

Una grandezza fisica non può essere elaborata direttamente da un sistema digitale. Temperatura, pressione, livello, posizione, illuminamento, forza o concentrazione devono essere trasformati in un segnale elettrico mediante un sensore o un trasduttore.

Il segnale prodotto può essere una tensione, una corrente oppure una variazione di resistenza, capacità o altra proprietà elettrica. Nei primi due casi il segnale può essere acquisito direttamente o dopo un opportuno adattamento; negli altri casi è necessario un circuito che trasformi la variazione del componente sensibile in una tensione o corrente misurabile.

Il numero ottenuto alla fine della conversione non rappresenta quindi direttamente la grandezza fisica. Rappresenta inizialmente la risposta elettrica dell’intera catena formata da sensore, alimentazione, cablaggio, circuito di condizionamento, riferimento del convertitore e convertitore stesso.

Segnali in tensione, corrente e uscite raziometriche

I segnali analogici impiegati nei sistemi di misura e controllo possono essere trasmessi in tensione continua oppure in corrente continua. Le norme IEC 60381-1 e IEC 60381-2 trattano rispettivamente i segnali analogici in corrente e quelli in tensione utilizzati nei sistemi di controllo dei processi.

Un segnale in tensione è semplice da acquisire, ma può essere influenzato dalle cadute di tensione sui conduttori, dai disturbi elettromagnetici e dalle differenze di potenziale tra le masse. Per distanze elevate o ambienti elettricamente disturbati può essere preferibile un segnale in corrente, purché il circuito di ricezione sia progettato per trasformarlo correttamente in una tensione compatibile con l’ingresso analogico.

Esistono inoltre sensori con uscita raziometrica. In questo caso il segnale prodotto dipende anche dalla tensione di alimentazione o dalla tensione di riferimento. Una variazione dell’alimentazione può quindi modificare la lettura anche quando la grandezza fisica rimane costante.

Alimentazione, riferimento, cablaggio e metodo di conversione devono essere considerati come parti della misura e non come elementi indipendenti dal sensore.

Condizionamento e protezione del segnale

Il segnale proveniente dal sensore non deve essere collegato automaticamente all’ingresso analogico. Prima della conversione può essere necessario limitarne l’ampiezza, amplificarlo, attenuarlo, filtrarlo o proteggerlo contro sovratensioni e collegamenti errati.

Il condizionamento può comprendere:

• adattamento del campo elettrico al campo ammesso dall’ADC;
• conversione corrente-tensione;
• amplificazione dei segnali di piccola ampiezza;
• filtraggio dei disturbi;
• protezione dell’ingresso;
• separazione galvanica, quando richiesta;
• adattamento dell’impedenza tra sorgente e convertitore.

Un filtro analogico limita la banda del segnale prima del campionamento e può impedire che componenti ad alta frequenza vengano interpretate come variazioni più lente. Amplificazione, filtraggio e pilotaggio dell’ADC costituiscono quindi parti funzionali del sistema di misura.

Anche l’impedenza della sorgente è importante. In molti convertitori analogico-digitali il circuito interno deve caricare un condensatore di campionamento. Se la sorgente ha un’impedenza troppo elevata o il tempo di acquisizione è insufficiente, il condensatore può non raggiungere la tensione reale prima della conversione, producendo un errore.

I limiti esatti dipendono dal convertitore impiegato e devono essere ricavati dalla relativa documentazione tecnica.

Conversione analogico-digitale e valore RAW

Il convertitore analogico-digitale, o ADC, campiona il segnale e assegna a ogni campione un codice numerico. Un convertitore con risoluzione di N bit dispone idealmente di 2 elevato a N codici possibili.

La conversione comprende due operazioni distinte: il campionamento nel tempo e la quantizzazione dell’ampiezza.

Il risultato è comunemente indicato come valore RAW. Questo dato descrive il codice prodotto dal convertitore e deve essere distinto dal valore espresso nell’unità della grandezza fisica.

In forma semplificata, per un ADC unipolare ideale:

tensione ingresso = RAW × tensione di riferimento / valore RAW massimo

La relazione effettiva può essere influenzata da offset, errore di guadagno, non linearità, rumore, tolleranza della tensione di riferimento e caratteristiche del circuito di ingresso.

La risoluzione nominale non coincide necessariamente con la risoluzione realmente utilizzabile. Un convertitore può produrre molti codici, ma rumore, instabilità del riferimento e limitazioni del circuito possono ridurre la quantità di informazione effettivamente presente nella lettura.

Elaborazione locale

La singola conversione non deve necessariamente diventare subito il dato trasmesso. L’unità di acquisizione può raccogliere una serie di campioni ed eseguire un’elaborazione locale.

Una media aritmetica riduce le oscillazioni casuali, ma può essere alterata da un singolo valore molto distante dagli altri. Una mediana è più resistente ai valori isolati. Un’altra soluzione consiste nell’ordinare un gruppo di letture, scartare alcuni valori minimi e massimi e calcolare la media dei rimanenti.

Il filtro deve essere scelto in relazione alla velocità reale della grandezza misurata. Un’elaborazione eccessiva può rendere stabile il numero visualizzato ma anche cancellare variazioni reali.

Il software non può correggere un segnale già saturato, un ingresso elettricamente incompatibile o un errore introdotto prima della conversione.

È opportuno conservare almeno:

• valore RAW;
• valore elaborato;
• valore convertito nell’unità fisica;
• data e ora;
• identificativo del dispositivo;
• identificativo del canale;
• stato della misura.

Mantenere il valore RAW consente di verificare in seguito la conversione, modificare la calibrazione e distinguere un errore del sensore da un errore introdotto dall’elaborazione.

Trasmissione tramite rete LAN Ethernet

Per un dispositivo fisso, una connessione Ethernet cablata offre una base generalmente più stabile e facilmente diagnosticabile rispetto a un collegamento radio. Il cavo definisce fisicamente il percorso iniziale della comunicazione e non dipende dalla copertura radio, dalla disposizione degli ostacoli o dalle interferenze presenti nell’ambiente.

Ethernet è definita dalla famiglia IEEE 802.3, che comprende il controllo di accesso al mezzo, le interfacce fisiche e il funzionamento su differenti mezzi e velocità.

Lo standard Ethernet non definisce però da solo l’affidabilità dell’intera applicazione. Un collegamento fisico attivo non garantisce che il server sia raggiungibile, che la richiesta venga accettata o che il dato venga registrato.

L’unità di acquisizione deve quindi controllare separatamente:

• presenza del collegamento fisico;
• assegnazione dell’indirizzo di rete;
• raggiungibilità della destinazione;
• apertura della connessione;
• invio completo della richiesta;
• codice di risposta del server.

In caso di guasto della rete, la misura non dovrebbe essere scartata automaticamente. Quando la conservazione del dato è importante, il dispositivo può utilizzare una memoria locale e ritentare l’invio successivamente, associando a ogni campione l’ora originale di acquisizione.

Wi-Fi come alternativa

Il Wi-Fi non è escluso dalla catena. Può essere necessario in postazioni mobili, temporanee, difficili da cablare o prive di una connessione Ethernet disponibile.

Introduce però ulteriori variabili operative: intensità del segnale, interferenze, autenticazione alla rete, disponibilità dell’access point, variazioni della copertura e procedure di riconnessione.

Il software deve quindi distinguere tra perdita momentanea della rete radio, mancata acquisizione dell’indirizzo, indisponibilità della rete esterna e mancata risposta della VPS.

La scelta tra LAN e Wi-Fi deve dipendere dall’installazione. Per una postazione fissa raggiungibile da un cavo, la LAN rappresenta la soluzione principale. Il Wi-Fi rimane un’alternativa tecnica, non un requisito della catena di acquisizione.

Invio tramite HTTP o HTTPS

Una volta stabilita la connessione di rete, il dispositivo può inviare la misura alla VPS mediante una richiesta HTTP. HTTP utilizza un modello client-server basato su richieste e risposte: il dispositivo svolge il ruolo di client, mentre il servizio installato sulla VPS riceve la richiesta e restituisce un codice di esito.

Il messaggio può contenere, per esempio:

• device_id: identificativo del dispositivo;
• channel_id: identificativo del canale;
• raw: valore prodotto dall’ADC;
• value: valore elaborato o convertito;
• unit: unità di misura;
• timestamp: data e ora dell’acquisizione;
• sequence: numero progressivo della trasmissione;
• quality: stato o qualità della misura.

Il numero progressivo può aiutare a individuare duplicati o intervalli mancanti. Il campo relativo alla qualità può indicare se la misura è valida, fuori campo, stimata, recuperata dalla memoria locale o prodotta durante una condizione anomala.

Quando il dato attraversa reti non completamente controllate, HTTPS protegge il canale mediante TLS. TLS è progettato per impedire l’intercettazione, l’alterazione e la falsificazione dei messaggi durante il trasporto.

HTTPS non stabilisce però se la misura sia fisicamente plausibile. Protegge la comunicazione, non la correttezza del sensore. Anche un valore errato può essere trasmesso correttamente attraverso un canale cifrato.

Ricezione sulla VPS

Sulla VPS deve essere presente un punto di ingresso destinato alla ricezione dei dati. Questo componente può essere realizzato con differenti linguaggi e tecnologie, ma deve svolgere funzioni chiaramente separate:

• ricevere la richiesta;
• identificare il dispositivo;
• autorizzare o rifiutare l’invio;
• analizzare i campi ricevuti;
• validare il contenuto;
• registrare il dato;
• restituire un codice di risposta.

Il servizio di ricezione non dovrebbe coincidere necessariamente con la pagina pubblica. Separare il punto di ingresso dalla parte destinata alla consultazione riduce l’esposizione e consente di applicare controlli specifici agli invii.

La VPS non deve accettare automaticamente ogni richiesta soltanto perché formalmente corretta. I sistemi che raccolgono dati dal mondo fisico devono essere progettati tenendo conto di affidabilità, sicurezza e possibili condizioni anomale.

Validazione lato server

La validazione lato server rappresenta un secondo livello di controllo, distinto da quello eseguito sul dispositivo.

Il server può controllare:

• presenza dei campi obbligatori;
• tipo dei dati;
• formato numerico;
• limiti ammessi;
• identità del dispositivo;
• data e ora;
• numero progressivo;
• frequenza degli invii;
• eventuali duplicati;
• dimensione complessiva della richiesta.

I limiti non devono essere utilizzati soltanto per eliminare i dati anomali. Un valore fuori dall’intervallo ordinario può indicare un guasto, ma potrebbe anche rappresentare un evento reale.

È quindi spesso preferibile registrare il valore originale con un indicatore di qualità, separandolo dai dati considerati validi per la visualizzazione ordinaria.

Anche i valori mancanti devono rimanere riconoscibili. Sostituire automaticamente una misura assente con l’ultima misura disponibile può creare una falsa continuità. La pagina deve mostrare l’età del dato o segnalare chiaramente che la sorgente non sta più aggiornando.

Registrazione e conservazione

Dopo la validazione, la misura può essere registrata in un file strutturato o in un database. La scelta dipende dalla quantità di dati, dal numero di dispositivi, dalla frequenza di campionamento e dalle elaborazioni previste.

Un archivio minimo dovrebbe contenere il valore ricevuto, l’ora dichiarata dal dispositivo, l’ora di ricezione del server e l’esito della validazione.

Le due informazioni temporali non sono equivalenti: la prima indica quando la misura è stata acquisita, la seconda quando è arrivata alla VPS.

Il sistema deve inoltre gestire:

• scritture incomplete;
• accessi simultanei;
• rotazione dei file;
• spazio disponibile;
• backup;
• permessi;
• conservazione dei dati storici.

Quando si utilizzano file, la scrittura e la lettura da parte della pagina devono essere organizzate in modo da evitare che venga letto un contenuto parzialmente aggiornato.

Un database può risolvere parte di questi problemi mediante transazioni, ma richiede comunque manutenzione, controllo dello spazio e procedure di backup.

Dall’archivio alla pagina web

La pagina web costituisce l’ultimo elemento della catena. Non effettua la misura e non dimostra da sola che il dato sia corretto: rappresenta ciò che il server ha deciso di pubblicare dopo la ricezione e l’elaborazione.

La pagina può mostrare:

• ultima misura;
• unità di misura;
• data e ora;
• stato del dispositivo;
• età del dato;
• valori minimi e massimi;
• serie storica;
• indicatore di qualità.

Il dato più recente deve essere accompagnato dall’ora dell’ultimo aggiornamento. Senza questa informazione, un valore fermo da ore o giorni può sembrare ancora attuale.

La rappresentazione grafica deve inoltre rispettare il significato della misura. Interpolare punti molto distanti, eliminare senza indicazione i dati anomali o cambiare automaticamente la scala può produrre un grafico visivamente regolare ma tecnicamente fuorviante.

Gestione dei guasti lungo la catena

Ogni elemento può guastarsi senza che gli altri smettano necessariamente di funzionare.

Il sensore può produrre un valore errato. Il circuito può saturare. L’ADC può continuare a restituire sempre il valore minimo o massimo. La rete LAN può perdere il collegamento. Il router può funzionare localmente ma non raggiungere la rete esterna. La VPS può rispondere senza riuscire a registrare il dato. L’archivio può essere pieno. La pagina può continuare a mostrare l’ultima misura anche se la sorgente è inattiva.

Per questo motivo il sistema deve distinguere almeno tra:

• misura valida;
• misura fuori campo;
• errore di acquisizione;
• errore di rete;
• errore di trasmissione;
• richiesta rifiutata;
• errore di registrazione;
• dato non aggiornato.

Un sistema affidabile non nasconde queste condizioni. Le registra, le rende verificabili e impedisce che un valore vecchio o non valido venga presentato come una misura corrente.

Conclusioni

Portare un segnale analogico su una pagina web richiede molto più della semplice trasmissione di un numero. La misura nasce da una grandezza fisica, attraversa un trasduttore e un circuito analogico, viene campionata e quantizzata, elaborata localmente, trasmessa attraverso una rete, validata dalla VPS, registrata e infine rappresentata.

Per una postazione fissa, la connessione Ethernet su rete LAN costituisce una base solida e facilmente controllabile. Il Wi-Fi rimane utilizzabile quando il cablaggio non è disponibile, ma richiede una gestione più attenta delle disconnessioni e della qualità del collegamento.

La correttezza del risultato dipende dall’intera catena. Conservare il valore RAW, indicare l’età della misura, separare ricezione e pubblicazione, controllare i dati anche lato server e rendere visibili le condizioni di errore permette di trasformare una semplice lettura analogica in un’informazione realmente verificabile.