Risultati conseguiti dal progetto “Barriera Attiva” Luca De Vito, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio Hello, my name is Pasquale Daponte and in the next minutes, I will do a short presentation about one of our projects from Univ. of Sannio (which I’m responsible), project called “wireless active guardrail system”, in Italian, “Barriera Attiva”. … lab lesim …etc 1

Il sistema “Barriera Attiva” Obiettivi: monitoraggio dell’infrastruttura stradale attraverso la rilevazione di eventuali urti veicolo-barriera con relativa localizzazione dell’impatto; sistema di allerta per la prevenzione di urti veicolo-barriera; monitoraggio del traffico veicolare mediante conteggio dei veicoli e valutazione della velocità media nel tratto di strada d’interesse; monitoraggio dei principali parametri ambientali, in modo tale da correlarli allo stato del traffico veicolare. The target of this project is the design and practical implementation of an innovative WAGS, based on a new concept of safety. The main idea of the “Barriera Attiva” project is to use the guardrails as multiple quantity measurement systems, so that they could have also an active role in prevention/elimination of collisions between cars and guardrails and in environmental monitoring. “Barriera Attiva” means active traffic barrier. 2 2

Architettura del sistema “Barriera Attiva” Here in this figure, a Scenario for highway implementation of the proposed WAGS is depicted. As it can be seen from this figure, three types of wireless node are used: traffic safety nodes, environment monitoring nodes and gateway nodes. As it can be seen from this figure, there are presented also the traffic safety nodes in this scenario, marked with red color and highlighted. All WSN nodes are mounted directly on the middle guardrail’s plates from the highway infrastructure. For this example, the placement range of traffic safety nodes could be between 5÷25 m, depending on the measured quantities. Here in this picture the WSN nodes for env sensing are highlighted. All WSN nodes are mounted directly on guardrail plates. In order to assure an adequate signal strength for the data transmission, when deploying the WSN, it should be taken into account an optimal node placement. For the highway example, the placement range of traffic safety nodes could be between 5÷25 m, depending on the measured quantities, for environmental nodes the range could be between 50÷100 m and for gateways the range could be around of 500 m, depending on the wireless communication technology used. All data packets transmitted by sensing nodes are acquired by gateway nodes in a star/linear topology, while the gateway nodes are linked one another in a linear topology. The role of gateways is to collect data from sensing WSN nodes in a specific area and rerouting them to a coordinator gateway. One or two coordinator gateway nodes pass all received data to an on-site server. Finally, all data are sent to a Monitoring Service System (MSS) by Internet using wideband links. Software procedures for traffic and environment monitoring could be implemented at the MSS level. 3 3

Architettura del sistema “Barriera Attiva” Il sistema è composto da tre tipi di nodi wireless: nodi sensore orientati alla sicurezza stradale e al monitoraggio del traffico veicolare; nodi sensore per il monitoraggio dei parametri ambientali; nodi gateway per la raccolta dei dati provenienti dai nodi sensore. I nodi orientati alla sicurezza stradale e al monitoraggio del traffico veicolare, includono le seguenti funzionalità: (i) rilevazione di urto veicolo-barriera, (ii) rilevazione della distanza veicolo-barriera con relativo sistema di allerta e (iii) conteggio dei veicoli e misura della velocità media per definiti tratti stradali. I nodi sensore utilizzati per il monitoraggio ambientale permettono la misura di diverse sostanze inquinanti (CO, SO2, NO2, PM). 4 4

Sistema “Barriera Attiva” applicato ad una strada A practical application of WSN nodes mounted on guardrails is depicted in this figure. The field measurement layer of the WAGS has been designed to be deployed on roadside guardrails. The distance between two safety nodes could be as low as Ds=4 m. This distance varies according to road risks. In the figure, two gateway nodes are depicted, one for each side of the road. In a practical situation, the MSS could be located everywhere far from the road, for example at thousands of kilometers far from these nodes. 5 5

Architettura di rete del sistema “Barriera Attiva” 6 6

Sistema per la misura della velocità S1 e S2 sono posizionati ad una distanza prefissata D, compresa tra 0.5 m e1.5 m; La velocità può essere calcolata mediante l’espressione: D/(Ts2,s1), dove Ts2,s1 è il tempo che intercorre tra le due interruzioni dei fasci nei punti S1 e S2. In this figure, an infrared barrier which can measure the speed of crossing vehicles is presented. This type of measurement system provides results with an uncertainty lower than 0.1% and can be implemented on all road types. A local processing routine can evaluate the number of cars passing through the infrared barrier within a given time interval. A couple of such systems mounted on the road with a known distance can monitor the amount of cars that cross that portion of road and their speed. The speed measurement system is intended to be applied on different roads, working in different environmental conditions (e.g. fog, rain, snow, interfering light sources, dust or even perturbation produced by insects). Therefore, an infrared light sensor was chosen to overcome all this possible perturbations. The speed sensor is made of a couple of infrared barriers, S1 and S2 placed at a known distance D (like in the figure) ranging from 0.5 m to 1 m. S1 and S2 transmit continuously an infrared signal to a reflecting surface and provide the instant when the reflected signal is not received. The speed of a vehicle crossing the barrier can be easily estimated as D/(Ts2,s1), where Ts2,s1 is the interruption time measured by sensor S2 and S1. 7 7

Principio fisico di rilevazione Each infrared beam sensor together with an reflector will form an sensing element in order to detect the presence or absence of vehicle in the sensing area. Two such systems connected to a Time Interval Measurement instrument, will sensing the time between first (Start) and second (Stop) beams interruptions. This system can be affected by some coarse erroneous measurements as: 8 8

Descrizione hardware 9

Prototipo realizzato 10 10

Descrizione software Il microcontrollore inizialmente si pone in uno stato di attesa, quando si verifica l’interruzione del primo fascio, esso dà inizio al conteggio di un timer. All’occorrenza dell’interruzione del secondo fascio il conteggio viene fermato e la velocità del veicolo calcolata. Per verificare la validità della misura (se ci sono stati eventuali sorpassi tra veicoli), vengono calcolati i tempi che intercorrono tra l’interruzione e il rilascio dei due fasci a infrarosso. Se tali tempi forniscono velocità che differiscono di un valore maggiore a 5 km/h la misura viene scartata. In this figure, the proposed architecture of a modular sensor node used for speed measurements and counting is presented. Two infrared sensors are used in this case (Sensor 1 and Sensor 2). The infrared sensors create an invisible barrier, as it was presented before. The BMS is used to control the charge of the Li-Ion type battery by means of a photovoltaic panel. In the left figure, the conditioning circuit which is used to interface infrared sensors and microcontroller is depicted. The circuit consists of a transistor which is used to translate the voltage level from sensor output to 3V level which is compatible with the digital I/O pin of the microcontroller. The signals delivered by these two sensors are evaluated as external interrupts by the microcontroller software. The microcontroller has to analyze the receiver output signal and to evaluate the time interval between two following interruptions. This should also prevent errors from false alarms in the case of insects/birds or animals passing through a single infrared barrier. 11 11

Prove su strada Sistema di riferimento basato su tecnologia GPS, utilizzato dal Laboratorio di Misure Industriali dell’Università di Cassino Scostamento massimo contenuto all’interno dei 5 km/h 12 12

Sistema per la misura della distanza veicolo-barriera La distanza può essere calcolata mediante l’espressione: Dove Vs è la velocità dell’onda ad ultrasuoni Td è il tempo di percorrenza dell’onda dal suo invio alla sua ricezione da parte del sensore. In this figure, an infrared barrier which can measure the speed of crossing vehicles is presented. This type of measurement system provides results with an uncertainty lower than 0.1% and can be implemented on all road types. A local processing routine can evaluate the number of cars passing through the infrared barrier within a given time interval. A couple of such systems mounted on the road with a known distance can monitor the amount of cars that cross that portion of road and their speed. The speed measurement system is intended to be applied on different roads, working in different environmental conditions (e.g. fog, rain, snow, interfering light sources, dust or even perturbation produced by insects). Therefore, an infrared light sensor was chosen to overcome all this possible perturbations. The speed sensor is made of a couple of infrared barriers, S1 and S2 placed at a known distance D (like in the figure) ranging from 0.5 m to 1 m. S1 and S2 transmit continuously an infrared signal to a reflecting surface and provide the instant when the reflected signal is not received. The speed of a vehicle crossing the barrier can be easily estimated as D/(Ts2,s1), where Ts2,s1 is the interruption time measured by sensor S2 and S1. 13 13

Descrizione hardware 14

Prototipo realizzato 15 15

Descrizione software Il microcontrollore misura l’ampiezza temporale dell’impulso fornito dal sensore ad ultrasuoni utilizzando un timer e una linea di interrupt. Poiché la velocità dell’onda ad ultrasuoni dipende dalla temperatura e dall’umidità ambientale, tali quantità vengono misurate e quindi la misura di distanza fornita compensando gli effetti dovuti alla temperatura e all’umidità. Se tale distanza è inferiore a una soglia prestabilita, sono attivati dei LED integrati sulla barriera. 16 16

Prove sperimentali 17

Risultati I test fanno riferimento a diverse velocità del veicolo: 0—10 km/h, 10—20 km/h, 20—30 km/h, 30—40 km/h, 40—50 km/h e 50—60 km/h. I risultati mostrano uno scostamento massimo tra i valori di riferimento e quelli forniti dal nodo sensore di 20 cm. 18 18

Sistema per la rilevazione di urti veicolo-barriera Il sistema si compone dell’accelerometro ADXL326, il quale fornisce uscite analogiche proporzionali al valore di accelerazione al quale è sottoposto. Tali uscite vengono acquisite dal microcontrollore integrato nella piattaforma IRIS mediante ADC (Analog to Digital Converter), se il modulo dell’accelerazione misurata supera un valore di soglia viene segnalato l’evento al gestore della rete e azionati LED ed eventuali pannelli per segnalare l’urto. 19 19

Risultati sperimentali 20 20

Sistema per il monitoraggio di sostanze inquinanti Sensori utilizzati: Carbon Monoxide (CO) (Alphasens CO-AX) 2. Nitrogen Dioxide (NO2) (Alphasens NO2-A1) 3. Sulfur Dioxide (SO2) (Alphasens SO2-AF) 4. Particulate Matter (PM10) (Sharpsma GP2Y1010AU0F) The proposed sensor node architecture has been implemented relying on IRIS motes, which include an Atmel ATmega1281 microcontroller and an RF transceiver. The IRIS mote includes a transceiver in 2.4 GHz band, dedicated for Industrial, Scientific and Medical (ISM) applications, used for enabling low-power WSNs. Several capabilities of the IRIS mote features are regarding to communication range, which is up to 500 meters between nodes without amplification, a range that is necessary for the network deployment in actual scenarios. The node firmware has been developed using nesC language on the TinyOS Real-Time Operating System. An example of configuration is reported in left figure, where the sensing module used to measure the air pollution parameters has been depicted. This WSN node configuration has CO, SO2, NO2 and particulate matter (PM) environmental sensors installed to estimate the air pollution on roads, highways, tunnel or bridges. The sensors are connected, by using a conditioning circuit for each one, to microcontroller’s ADC port. 21 21

Specifiche dei sensori CO NO2 SO2 PM Output current 4÷20 mA max. 20 mA Calibrated concentration range 0÷100 ppm 0÷2 ppm 0÷0.5 (mg/m3) Nominal sensitivity 160 µA/ppm 8 mA/ppm 0.5V/(0.1 mg/m3) Measurement range 2000 ppm 20 ppm 50 ppm 0÷0.8 (mg/m3) In the following, the pollution sensor node, which is one of the most critical nodes, is described in detail. Each sensor, CO, NO2 and SO2, is mounted on a “Transmitter PCB” (PCB; printed circuit board like in the left figure) , produced by Alphasens, which includes some analog and digital circuits to acquire and convert the µA output signal generated by the sensors into a 2-wire transmission line for a current between 4 and 20 mA for data signal. Alphasense “Transmitter PCB” 22 22

Descrizione hardware The gas sensors produce a current, which is necessary to be converted in a voltage by using a resistor, Fig. 4. The resistor is inserted in circuit in series on the powering line of transmitter board. A conditioning circuit composed from resistors has been designed to convert the delivered current from sensors outputs into a differential voltage value. The differential voltage is converted in a single-ended voltage by an instrumentation amplifier per each sensor, as is presented in Fig. 4. Due to the limitations of the power source which has single-ended voltage output, it was necessary to use rail-to-rail instrumentation amplifiers. The necessary conditioning circuitry was developed, to agree with ADC inputs of the ATmega1281 microcontroller. For particulate matter sensor, it is necessary to use an I/O line to drive a transistor which commands an internal LED diode. The sensor’s output is needed to be divided by using a resistor divider, to assure that the voltage is under ADC input limits. 23 23

Prototipo 24

Sistema di calibrazione dei sensori di gas 25

Sistema per la valutazione delle condizioni del manto stradale Sottosistema per l’emissione di luce infrarossa (LED IR multipli) ed un sottosistema per la ricezione di luce infrarossa (un fotodiodo); Un sensore intelligente per la misura di temperatura ed umidità relativa dell’ambiente (SHT25); L’IRIS mote, per l’elaborazione delle grandezze misurate dai sensori citati e per la trasmissione wireless dei dati misurati; Un blocco di alimentazione, che è costituito da una batteria di 12 V e adeguati regolatori di tensione; Una struttura meccanica, contenuta in una scatola rigida e avente la possibilità di regolare l’angolo del sensore rispetto al piano della strada, nel campo di misurazione interessato. 26 26

Prove sperimentali Andamenti del segnale d'uscita del sistema al variare dell’angolo di rilevamento Andamenti del segnale d'uscita del sistema al variare delle condizioni del manto stradale 27 27

Sistema per la valutazione della visibilità stradale I componenti principali utilizzati per la realizzazione del nodo sensore sono stati: un sensore di particolato, un sensore di umidità e temperatura e la piattaforma Waspmote. Il sensore viene posizionato in una zona di nebbia e montato sul di un palo. Vengono misurate temperatura, umidità e valore di particolato ad una determinata frequenza di campionamento e per un periodo stabilito, durante il quale sono in funzione delle ventole per liberare il box, contenente il sensore, da eventuali polveri che andrebbero ad influenzare la misura di particolato 28 28

Risultati sperimentali La prova è stata eseguita utilizzando come obiettivo del ghiaccio posto sul manto stradale. La potenza dell’onda riflessa cambia al variare delle condizioni del manto da ghiacciato a completamente asciutto. La prova è stata effettuata in orario diurno e notturno. I risultati mostrano come in orario diurno è più facile discriminare le diverse condizioni rispetto al caso notturno. 29 Risultati per orario diurno Risultati per orario notturno Luca De Vito - L.E.S.I.M. - Università del Sannio Luca De Vito - L.E.S.I.M. - Università del Sannio 29

Risultati sperimentali: misura della visibilità La prova è stata eseguita andando a confrontare le concentrazioni di particelle di vapore acqueo rispetto al valore di visibilità espresso in termini di distanza. Sono stati considerati come riferimento di distanza tre pali del sistema di illuminazione urbano, posti a circa 20 m l’uno dall’altro. Le tre figure riportano i valori di concentrazione e la differenza (linea verde) tra la temperatura ambiente (linea rossa) e il punto di rugiada (linea blu) I risultati mostrano come è possibile discriminare tre condizioni di visibilità: > 60 m, densità < 0.05 mg/m3 > 20 m e < 60 m, densità > 0.05 mg/m3 e < 0.25 mg/m3 < 20 m, densità > 0.25 mg/m3 Luca De Vito - L.E.S.I.M. - Università del Sannio 30

Conclusioni e sviluppi futuri Il sistema “Barriera Attiva” è stato progettato con lo scopo di ridurre i rischi riguardanti l’ambiente stradale, inserendo all’interno dell’infrastruttura stradale un elevato numero di sensori che permettessero un fitto monitoraggio della stessa; I sensori sviluppati sono a basso costo e hanno un elevato fattore di integrabilità all’interno dell’ambiente stradale; monitoraggio dell’infrastruttura stradale attraverso la rilevazione di eventuali urti veicolo-barriera con relativa localizzazione dell’impatto; I sensori possono essere utilizzati singolarmente o all’interno di una architettura di rete più complessa; La continua collaborazione della polizia stradale di Benevento con l’Università del Sannio ha permesso lo sviluppo di tali sensori affinché essi possano essere utilizzati anche dalla stessa polizia per poterne facilitare il lavoro di soccorso e di prevenzione degli incidenti stradali. Sviluppi futuri: Integrazione di nuovi sensori utili per il monitoraggio dell’infrastruttura stradale come sensori di incendio e sensori per rilevare la presenza di persone o di animali sulla carreggiata. 31 31

Grazie per l’attenzione! Thank you for your attention. Questions? 32