Il monitoraggio strumentale di una grotta non dipende soltanto dalla precisione dei sensori. Per costruire serie temporali affidabili, i dati devono essere acquisiti e conservati anche quando gli strumenti si trovano in aree difficilmente accessibili, prive di alimentazione elettrica e senza una connessione stabile.
Le unità di acquisizione dati, o datalogger, ricevono i segnali provenienti dai sensori, registrano le misure associandole a data e ora e le conservano fino allo scarico o alla trasmissione verso un sistema esterno. In ambiente ipogeo, la scelta del datalogger deve tenere conto di condizioni particolarmente impegnative: umidità relativa prossima alla saturazione, formazione di condensa, possibile presenza di stillicidio e difficoltà nell’effettuare interventi frequenti. Anche la trasmissione wireless deve essere valutata con attenzione, perché la roccia e la geometria irregolare delle cavità possono attenuare o interrompere il segnale.
I requisiti di un datalogger per il monitoraggio in grotta
Una rete di monitoraggio ipogeo può acquisire parametri differenti: temperatura, umidità, pressione atmosferica, concentrazione dei gas, livello idrico, conducibilità, apertura delle fratture o inclinazione di blocchi rocciosi. Il numero e la tipologia dei sensori determinano le caratteristiche necessarie dell’unità di acquisizione. Prima di scegliere il sistema è quindi necessario definire:
- numero di canali richiesti;
- tipologia dei segnali in uscita dai sensori;
- frequenza di acquisizione;
- capacità di memoria;
- consumo energetico complessivo;
- modalità di recupero o trasmissione dei dati.
Un sistema destinato a controllare due parametri in un punto isolato avrà esigenze differenti rispetto a una rete distribuita in più sale o lungo un percorso turistico.
Autonomia energetica e frequenza di acquisizione
I punti più significativi per il monitoraggio si trovano spesso lontano dagli ingressi e non dispongono di una rete elettrica. L’autonomia diventa quindi uno dei principali criteri di progettazione.
La durata della batteria non dipende soltanto dalla sua capacità nominale, ma anche dal consumo dei sensori, dal numero di canali attivi e dalla frequenza delle misure. Un campionamento molto ravvicinato produce una serie temporale più dettagliata, ma aumenta il consumo energetico e il volume dei dati da memorizzare.
La frequenza deve essere scelta in funzione della velocità del fenomeno osservato. La temperatura di una sala profonda tende, ad esempio, a cambiare più lentamente rispetto al livello idrico di un ramo soggetto a piene improvvise.
Le unità MYLOG e MINILOG consentono di programmare gli intervalli di acquisizione da 1 minuto a 24 ore. Entrambi i sistemi dispongono inoltre della funzione WARM UP, che alimenta il sensore per il tempo necessario alla stabilizzazione prima di effettuare la lettura, evitando che rimanga continuamente attivo quando non è necessario.
Protezione da umidità, condensa e acqua per il monitoraggio in grotta
Nelle grotte l’umidità relativa può rimanere prossima al 100% per periodi prolungati. Il rischio per la strumentazione non deriva soltanto dal contatto diretto con l’acqua, ma anche dalla formazione di condensa sui componenti e all’interno dei contenitori.
La protezione deve quindi riguardare l’intero punto di acquisizione: centralina, connettori, pressacavi, giunzioni e cavi. Anche un contenitore stagno può perdere efficacia se viene installato sotto uno stillicidio continuo o se l’acqua può scorrere lungo i collegamenti fino ai punti di ingresso.
Il MINILOG viene collocato in un contenitore stagno in poliestere rinforzato, le cui dimensioni dipendono dal numero di canali e dagli accessori richiesti. Per MYLOG, il materiale e le dimensioni del contenitore possono essere definiti in funzione della configurazione del monitoraggio.
Quando possibile, l’unità dovrebbe essere installata al di sopra del massimo livello idrico prevedibile, lontano dai punti di gocciolamento diretto e in una posizione raggiungibile per lo scarico dei dati e la sostituzione della batteria.
Memorizzazione locale e continuità delle misure
In assenza di connettività, la memoria locale è un requisito fondamentale. Il datalogger deve poter conservare l’intera serie temporale fino alla successiva visita tecnica, anche quando la cavità rimane inaccessibile per settimane o mesi.
MYLOG dispone di una memoria FLASH capace di archiviare 128.000 dati completi di data e ora. È un datalogger a due canali, indicato per monitoraggi non complessi e collegabile, tra gli altri, a piezometri, inclinometri fissi, misuratori di giunti e sensori di temperatura e umidità.
MINILOG mette invece a disposizione quattro canali e può collegare alla stessa unità sensori di tipologia differente. I dati vengono registrati in una memoria a stato solido capace di contenere fino a 32.000 misure. Quando servono più canali, diverse unità MINILOG possono essere collegate a un sistema SWITCH. La capacità necessaria deve essere calcolata considerando il numero di sensori, la frequenza di acquisizione e il tempo massimo previsto tra due operazioni di scarico.
Trasmissione dei dati dall’ambiente ipogeo
La trasmissione è uno degli aspetti più complessi del monitoraggio in grotta. Le reti cellulari non raggiungono normalmente le zone profonde, mentre la comunicazione radio può essere ostacolata dalle pareti rocciose, dalle curve dei condotti e dai dislivelli.
La soluzione più semplice consiste nella registrazione locale, con recupero manuale dei dati durante le visite periodiche. Questo approccio è adatto ai fenomeni lenti e ai monitoraggi che non richiedono allarmi immediati.
Quando è necessario ricevere aggiornamenti a distanza, i dati possono essere trasferiti tramite cavo o attraverso una rete wireless fino a un punto vicino all’ingresso. Da qui, se è presente copertura mobile, è possibile utilizzare il modem MD GSM/GPRS 2G/3G/4G per inviare i dati via FTP o trasmettere SMS di allarme.
Per reti distribuite può essere valutato anche HOLLYCLOUD, il sistema SIM basato sulla tecnologia LoRa. In un ambiente ipogeo, tuttavia, la possibilità di utilizzare una rete radio deve essere verificata direttamente nella cavità attraverso prove di propagazione: la distanza nominale del sistema non è sufficiente a garantire il collegamento attraverso la roccia.
Scegliere l’unità di acquisizione in base alla cavità
Non esiste un’unica configurazione adatta a tutte le grotte. Un monitoraggio composto da pochi sensori può essere gestito con un datalogger autonomo e uno scarico periodico. Una grotta turistica nella quale devono essere controllati diversi parametri può invece richiedere più unità di acquisizione e una trasmissione verso un punto esterno.
Le unità di acquisizione dati di SIM Strumenti permettono di configurare sistemi con diversi livelli di complessità, dal MYLOG a due canali al MINILOG a quattro canali, fino alle reti di acquisizione distribuite.
La scelta deve considerare insieme autonomia energetica, capacità di memoria, protezione dall’umidità e possibilità effettiva di comunicazione. Solo un sistema progettato sulle condizioni reali della cavità può garantire la continuità delle misure e produrre dati utili per la ricerca speleologica e per la gestione delle grotte turistiche.