Electronic Nose 2014 - Tesina

Electronic nose 2014

Nome scuola ITIS "Don G. Morosini" Ferentino

Classe partecipante 5°B Elettronica e Telecomunicazioni

Alunno Coppotelli Marco

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1.1 Introduzione

Il progetto proposto consiste nella stesura di un software che, mediante un rilevatore elettronico di odori, consente di rilevare sostanze esplosive. Il controllo degli odori avviene mediante l’utilizzo di una scheda elettronica da noi progettata e realizzata con incorporati sette sensori di gas, che comunica con il PLC tramite un modulo aggiuntivo che integra una porta RS-232. Per la comunicazione tra PC e PLC è invece utilizzata la rete, tramite uno switch Ethernet.

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1.1.1 Rilevazione elettronica degli odori

Il naso elettronico è un sistema biomimetico, progettato cioè per imitare il funzionamento dei sistemi olfattivi che ritroviamo in natura, come quello dei mammiferi o più specificatamente quello umano. Tipicamente un naso elettronico raccoglie ed elabora le informazioni provenienti da una serie di sensori di gas, per lo più realizzati con tecnologia a stato solido. Tali informazioni sono inizialmente codificate come grandezze elettriche, ma vengono immediatamente acquisite e digitalizzate al fine di essere elaborate numericamente da un sistema di elaborazione.

In pratica, un odorante viene descritto dal naso elettronico, sulla base delle risposte dei singoli sensori, come un punto o una regione di uno spazio pluridimensionale. Grazie a particolari algoritmi mutuati dalla disciplina chiamata pattern recognition, un sistema naso elettronico costruirà una mappa olfattiva che permetterà di effettuare sia analisi di tipo qualitativo sia di tipo quantitativo, discriminando, ad esempio, l’origine di un determinato prodotto alimentare dal suo solo odore.

Buona parte di questi algoritmi opera confrontando la descrizione di un nuovo odorante con quella di opportuni campioni di esempio precedentemente valutati e richiedono, quindi, un periodo di tuning o fase di apprendimento da effettuarsi precedentemente alla fase operativa. Al termine della fase di apprendimento il naso sarà in grado di classificare correttamente buona parte degli odoranti che gli saranno sottoposti.

L’architettura di un naso elettronico è significativamente dipendente dall’applicazione di riferimento per il quale viene progettato; da un punto di vista generale, comunque, esso è di fatto caratterizzato dalla presenza di un sistema di aspirazione, da un numero cospicuo di sensori di gas, da un sottosistema di acquisizione e digitalizzazione e da un sottosistema di elaborazione dell’informazione capace di implementare opportuni algoritmi di classificazione o regressione.

1.1.2 Reti neurali

Tradizionalmente il termine rete neurale, o rete neuronale, viene utilizzato con riferimento ad una rete o ad un circuito di neuroni biologici, tuttavia ne è affermato l’uso anche in matematica applicata con riferimento alle reti neurali artificiali, modelli matematici composti di "neuroni" artificiali. L’espressione può acquisire pertanto due significati distinti:

• Le reti neurali biologiche sono costituite dai neuroni biologici, cellule viventi tipiche degli animali connesse tra loro o connesse nel sistema nervoso periferico o nel sistema nervoso centrale. Nel campo delle neuroscienze, sono spesso identificati come gruppi di neuroni che svolgono una determinata funzione fisiologica nelle analisi di laboratorio.
• Le reti neurali artificiali sono modelli matematici che rappresentano l’interconnessione tra elementi definiti neuroni artificiali, ossia costrutti matematici che in qualche misura imitano le proprietà dei neuroni viventi. Questi modelli matematici possono essere utilizzati sia per ottenere una comprensione delle reti neurali biologiche, ma ancor di più per risolvere problemi ingegneristici di intelligenza artificiale come quelli che si pongono in diversi ambiti tecnologici, in elettronica, informatica, simulazione e altre discipline.

Una rete neurale artificiale può essere realizzata sia da programmi software che da hardware dedicato, DSP, Digital Signal Processing. Questa branca può essere utilizzata in congiunzione alla logica fuzzy.

Una rete neurale artificiale, ANN "Artificial Neural Network" in inglese, normalmente è chiamata solo "rete neurale", NN "Neural Network" in inglese, ed è un modello matematico/informatico di calcolo basato sulle reti neurali biologiche. Tale modello è costituito da un gruppo di interconnessioni di informazioni costituite da neuroni artificiali e processi che utilizzano un approccio di connessionismo di calcolo.

Nella maggior parte dei casi una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la sua struttura basata su informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete durante la fase di apprendimento.

In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare.

Una rete neurale artificiale riceve segnali esterni su uno strato di nodi, unità di elaborazione, d’ingresso, ciascuno dei quali è collegato con numerosi nodi interni, organizzati in più livelli. Ogni nodo elabora i segnali ricevuti e trasmette il risultato a nodi successivi.

1.1.3 Rilevazione elettronica delle sostanze esplosive

Negli Stati Uniti è stato messo a punto un sistema di rilevazione in grado di riconoscere alla distanza di 20 metri esplosivi o agenti chimici nascosti, così come agenti biologici o droga. Il sistema è stato realizzato dal Politecnico Rensselaer, che ha condotto la ricerca con i finanziamenti del Dipartimento americano della Difesa. Il sistema, non pericoloso per la salute, potrebbe essere il capostipite di una nuova generazione di dispositivi di sicurezza.

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La sua “Super Vista” è così potente perché utilizza la radiazione Terahertz (THz), molto simile alle microonde e capace di penetrare attraverso un gran numero di materiali, come stoffa, plastica, carta, legno e ceramica. "Guardando" attraverso abiti o contenitori, ma non attraverso metalli e liquidi, né all’interno del corpo, il sistema riesce a identificare una sorta di "firma" nella radiazione THz che contraddistingue ciascun materiale come fosse una sorta di impronta digitale.

Compresa tra l’infrarosso e le microonde, la radiazione Terahertz è invisibile all’occhio umano e finora sfruttarla non è stato facile. "Le applicazioni pratiche sono state ostacolate dalle numerose interferenze ambientali", ha osservato il coordinatore della ricerca, Xi-Cheng Zhang.

Il gruppo americano ha superato il problema usando la tecnica della fluorescenza indotta dai laser: due fasci laser sono stati focalizzati per creare un plasma che interagisce con le radiazioni Terahertz, le riconosce e di ognuna di esse è in grado di identificare la "firma".

Secondo gli esperti un sistema basato sulle onde THz potrebbe essere in futuro utilizzato su larga scala, così come lo sono oggi i metal detector comunemente utilizzati per i controlli di sicurezza. "Sono sicuro - ha rilevato Zhang - che nel giro di pochi anni questa tecnologia potrà essere utilizzata per un grande numero di applicazioni nel campo della difesa e dell’industria".