Un microcontrollore STM32WL che esegue un sensore di gas alimentato dal sole potrebbe essere la soluzione più efficace per la rilevazione precoce degli incendi boschivi
L’ecosistema al centro di questo approccio è Silvanet di Dryad, una società che ha recentemente raccolto oltre 10 milioni di euro in finanziamenti di serie A.
I nodi e i gateway Silvanet sono i primi a offrire connettività LoRa a energia solare in ambienti selvatici. Possono durare da 10 a 15 anni all’aperto per costruire una rete mesh in mezzo al nulla senza alcuna infrastruttura di supporto.
l sistema è in grado di rilevare la combustione senza fiamma in pochi minuti, rendendolo il sistema di rilevamento più rapido e sensibile di sempre.
Il costo economico degli incendi
L’estate 2022 detiene il record per alcuni dei peggiori incendi a livello globale. L’osservatorio terrestre della National Aeronautics and Space Administration (NASA) ha pubblicato immagini satellitari di ondate di calore e incendi in Europa, Africa e Asia. Inoltre, una nuova analisi del World Resources Institute stima che gli incendi boschivi abibano distrutto quasi il doppio del territorio rispetto al 2001.
Per mettere in prospettiva questi numeri, gli incendi nel 2021 hanno causato una perdita globale di 9,3 milioni di ettari, una superficie all’incirca l’equivalente dell’Ungheria. Peggio ancora, la siccità e le ondate di calore da record derivanti dai cambiamenti climatici continueranno ad aggravare le cose per anni.
Gli incendi boschivi sono un problema con impatti così astronomici che è difficile quantificarli. Secondo uno studio del 2017 del National Institute of Standards and Technology, gli incendi rappresentano un onere economico annuale potenzialmente superiore a 300 miliardi di dollari nei soli Stati Uniti. E il documento non considera i costi indiretti, come la carenza di cibo causata dalla perdita di terreni agricoli o l’impatto a lungo termine sulla salute dell’inalazione di fumo nel prossimo decennio.
Quando Moody, un’agenzia di credito, stima, secondo Reuters, che gli incendi potrebbero potenzialmente sconvolgere l’economia di un’intera nazione (Grecia) se la situazione peggiora, è difficile sopravvalutare l’urgenza e la gravità della situazione.
La difficoltà di lanciare un allarme tempestivo
Il rilevamento precoce è una delle misure più critiche nella prevenzione degli incendi boschivi. Tuttavia, le soluzioni attuali non sono sufficientemente precise o veloci.
Le torri di avvistamento esistono da oltre un secolo, ma devono essere presidiate e funzionano solo quando c’è già una notevole quantità di fumo. I sistemi satellitari automatizzano la sorveglianza ma rilevano solo gli incendi che si sono già diffusi.
Altri hanno provato a utilizzare le telecamere, ma hanno bisogno di una potente fonte di energia, che spesso non è disponibile in natura, e rilevano gli incendi da una a tre ore dopo l’inizio. Silvanet fornisce una nuova soluzione che risolve il problema del consumo energetico e del rilevamento tempestivo.
Perché Silvanet è una risposta unica alle sfide precedenti?
Carsten Brinkschulte, uno dei cofondatori di Dryad, ha spiegato che il consumo di energia è la sfida tecnica più critica da risolvere in questa situazione e un documento della Michigan State University è d’accordo con lui. In effetti, gli studiosi spiegano che l’uso dei pannelli solari è impegnativo perché gli alberi forniscono ombra e copertura, il che blocca una parte significativa della luce solare.
I ricercatori hanno quindi cercato di raccogliere energia dai rami in movimento. Dryad ha adottato un approccio diverso: progettare un sistema che potesse funzionare nonostante quelle terribili condizioni. E come ci ha detto Carsten, la sua azienda poteva farlo solo utilizzando un STM32WL.
Combinando l’MCU e il trasmettitore radio, l’STM32WL limita il numero di componenti sul PCB e ottimizza l’efficienza complessiva.
Ad esempio, è possibile utilizzare un solo cristallo per l’orologio ad alta velocità dell’MCU e della radio. Inoltre, l’LDO e l’SMPS dell’STM32WL consentono a determinate operazioni di essere eseguite più velocemente durante la riattivazione, eseguendo così le attività più velocemente, il che consente di risparmiare ancora più energia.
L’STM32WL ha anche modalità a basso consumo adatte a tale scenario. Dryad ha collaborato con ST per ottenere la massima ottimizzazione possibile dall’STM32WL per il funzionamento a energia solare in una foresta.
La sfida computazionale
Un’altra sfida che i meccanismi di rilevamento degli incendi devono affrontare è la scalabilità. Non tutti gli incendi sono uguali, specialmente durante la fase di combustione.
Silvanet fa affidamento su un sensore di gas, ma non tutti gli incendi sono uguali. Ad esempio, il pino emette un profilo di fumo diverso rispetto all’eucalipto. Di conseguenza, Dryad ha implementato un’applicazione di apprendimento automatico che si adatta a diverse foreste e ha ottenuto un potente microcontrollore per eseguirla.
È l’altro motivo per cui i sensori Silvanet utilizzano un STM32WL. L’MCU può contenere fino a 256 KB di Flash e può funzionare fino a 48 MHz. Grazie alle ottimizzazioni hardware, il dispositivo può elaborare i dati dal sensore ed eseguire localmente un algoritmo di apprendimento automatico.
La sfida delle trasmissioni
Rilevare l’avvio di un incendio boschivo è solo uno dei problemi. L’altra sfida consiste nell’inviare tali informazioni a un sistema di monitoraggio nel cloud, sebbene la connettività sia spesso inesistente.
Silvanet quindi non può fare affidamento su reti cellulari come NB-IoT o tecnologie che richiedono un operatore come Sigfox. Quindi, Dryad ha scelto LoRaWAN perché funziona in mezzo al nulla.
In effetti, Silvanet utilizza gateway personalizzati che funzionano su un STM32U5. Uno è un gateway mesh LoRa, che estende la rete LoRaWAN nelle profondità della foresta. L’altro è un gateway di confine che fornisce backhaul utilizzando un modem 4G/LTE con un fallback 2G/GPRS. C’è anche la connettività satellitare integrata utilizzando Swarm di SpaceX.
Un nodo sensore di incendi in genere copre un ettaro di foresta ed è possibile utilizzare il gateway mesh per estendere la rete secondo necessità mentre si utilizza il gateway di confine con connettività per inviare messaggi al cloud.
I sensori sono classificati IP67 per intemperie e supportano temperature comprese tra -40ºC e +85ºC. Ciò è possibile perché i sensori e i gateway Silvanet non hanno porte o connettori. Tutti usano un robusto alloggiamento in plastica.
Come requisito chiave, Dryad ha implementato un meccanismo over-the-air di aggiornamento del firmware e ha utilizzato la libreria di ST per facilitarne l’implementazione. Di conseguenza, i prodotti possono ricevere patch per correggere bug o aggiornare l’applicazione di apprendimento automatico per migliorare il rilevamento degli incendi.
L’ultima sfida
L’ultima sfida rimane convincere governi, industrie e altri che esiste una nuova soluzione per il rilevamento degli incendi boschivi. Un sensore costa 48 euro, un gateway mesh costa 371 euro e un gateway di confine costa 549 euro.
Quando si coprono centinaia di migliaia di ettari, l’investimento non è da poco. Tuttavia, la spesa impallidisce rispetto ai costi diretti e indiretti degli incendi boschivi. Dryad è stata alla Things Conference per dimostrare che, grazie alle nuove ottimizzazioni di STM32WL, una rete di dispositivi LoRa può funzionare per 15 anni in una foresta.
Esistono già reti Silvanet in Germania, Spagna, Grecia, Portogallo, Turchia, Stati Uniti e Corea del Sud, tra gli altri, e l’azienda prevede di produrre 230.000 unità nel 2023.
