Sviluppo di un sistema wireless a basso consumo energetico per la rilevazione ed il monitoraggio in tempo reale di perdite idriche

Water loss is a major challenge in all advanced societies, with economic costs arising from the waste of the precious resource. The work here presented in this thesis describes the development of an innovative system for detecting and locating leaks in water pipes, able to combine diagnostic accuracy and advanced features such as automatic and continuous monitoring in real time. This is allowed thanks to a wireless sensor network designed ad hoc, in which all devices implement power saving features in order to be able to stay in operation for years without maintenance. Further the wireless system ensures a stable mesh network for the data collection from the sensors, and communication toward remote server for additional computing. The devices designed for the acquisition, sample signals produced by the leakages in the pipeline by using MEMS acceleration sensors. The detection of the loss occurs by using a probability index developed starting from the equivalent levels of noise calculated on time intervals of consecutive measurements. The localization of the position of the loss occurs through the application of the method of cross-correlation, which is shown with an analysis of the base function (BCC ) and the generalized (GCC ) along with PHAT estimator. Finally, the results obtained in test campaigns were presented: the GCC with PHAT has suppressed signal distortion caused by reflections and standing waves, and frequency shift of the signal acquisition devices. The system was able to limit to 0.5m the maximum error in the leakage position estimating process. To obtain the best results, we recommend sampling at a higher frequency ( > 1 kHz ) and the adoption of detailed physical models and characteristic for the pipes on which acquisitions take place. In conclusion, the system has demonstrated excellent performance on the field.

Le perdite idriche costituiscono un problema rilevante e costantemente presente in tutte le società avanzate, con costi economici, derivanti dallo spreco della preziosa risorsa. Il lavoro esposto in questa tesi illustra lo sviluppo di un sistema innovativo per la rilevazione e localizzazione di perdite idriche nelle tubazioni, in grado di coniugare precisione diagnostica e funzionalità avanzate quali il monitoraggio continuo ed automatico in tempo reale. Ciò è permesso grazie ad una wireless sensor network progettata ad hoc, in cui tutti i dispostivi implementano funzionalità di risparmio energetico in modo da poter rimanere in funzione fino a diversi anni senza bisogno di manutenzione, garantendo al tempo stesso una rete mesh stabile per la raccolta dati dai sensori e l’inoltro verso server di elaborazione remota. I dispositivi realizzati per l’acquisizione del segnale prodotto dalle perdite nella tubatura campionano tale segnale per mezzo di sensori accelerometrici MEMS. La rilevazione della perdita avviene per mezzo di un indice di probabilità elaborato a partire da livelli equivalenti di rumore calcolati su intervalli temporali di misura consecutivi. La localizzazione della posizione della perdita avviene mediante l’applicazione del metodo della cross-correlazione, di cui è illustrata l’analisi della funzione base (BCC) e quella generalizzata (GCC) con stimatore PHAT. Infine sono stati illustrati i risultati ottenuti in campagne di test: la GCC con PHAT ha meglio eliminato i disturbi provocati da riflessioni e onde stazionarie, e frequency shift dei dispositivi di acquisizione del segnale. Il sistema è stato in grado di limitare l’errore massimo di stima della posizione della perdita intorno a 0,5m. Per l’ottenimento di migliori risultati si consiglia un campionamento a frequenza più elevata (>1kHz) e l’adozione di modelli fisici dettagliati e caratteristici per le tubature su cui avvengano le acquisizioni. Concludendo, il sistema ha dimostrato delle ottime prestazioni sul campo.