Ray Baum's Act ed E911

Nel marzo 2018, il Congresso degli Stati Uniti ha approvato il RAY BAUM'S Act volto a garantire che i servizi di emergenza riescano a rispondere rapidamente, indipendentemente dal fatto che il chiamante utilizzi una linea fissa, un cellulare, un VoIP o altre tecnologie. A partire dal 2022, anche la FCC (Federal Communications Commission) ha adottato linee guida e metriche con l'obiettivo di fornire dati a livello di piano per le chiamate E911¹. A seguito di queste normative, le aziende che producono telefoni, tablet, smartwatch e altri prodotti con funzionalità vocali stanno incorporando sensori di pressione più accurati, in grado di rilevare i cambiamenti di altitudine misurando la pressione atmosferica.

Pressione atmosferica e altitudine

La pressione atmosferica è direttamente correlata all'altitudine. Spiegato in termini semplici, maggiore è la massa d'aria sopra di noi, maggiore è la pressione esercitata su di noi. L'utilizzo di sensori di pressione per il rilevamento a livello di piano è comunemente associato all'automazione degli edifici e agli impianti di ascensori.

Figura 1: Rapporto tra pressione atmosferica e a livello di piano. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

I sensori misurano le variazioni della pressione atmosferica mentre gli ascensori si spostano tra un piano e l'altro. Più l'ascensore sale, più la pressione atmosferica diminuisce perché sopra il sensore c'è meno atmosfera.

Le sfide per soddisfare i nuovi requisiti

Se le variazioni di altitudine sono minime, la relazione tra pressione atmosferica e altitudine è lineare, come mostrato nella Figura 2. In condizioni ideali a temperatura ambiente, la pressione cambia di circa 1 mbar ogni 8 metri circa, o di circa 0,5 mbar per piano in un tipico grattacielo.

Figura 2: Rapporto tra pressione atmosferica e altitudine. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

In pratica, però, l'utilizzo della pressione atmosferica per il rilevamento a livello di piano presenta due sfide principali. La prima riguarda la precisione del sensore nell'intervallo di funzionamento di pressioni e temperature, mentre la seconda come compensare le variazioni di pressione dovute a situazioni locali quali le condizioni meteorologiche, la temperatura, la turbolenza dell'aria e così via.

Precisione dei sensori

Nell'ultimo decennio, i sensori di pressione MEMS hanno fatto passi da gigante in termini di miglioramento della precisione e della stabilità in qualsiasi condizione operativa. Ora integrano la compensazione della temperatura e i produttori di chip hanno intensificato le operazioni di calibrazione in fabbrica per migliorare la precisione e la stabilità dei sensori di pressione nel tempo e in determinati intervalli di temperatura.

Questo è rappresentato molto bene nella Tabella 1, che mette a confronto i precedenti sensori di pressione MEMS con LPS22DF, l'avanzato sensore di pressione assoluta di oggi:

Tabella 1: Parametri chiave dei sensori di pressione legacy e di quelli moderni.

LPS22DF vanta un design MEMS avanzato che riduce in modo significativo la deriva e accelera il recupero dopo la saldatura. Inoltre, offre stabilità a lungo termine limitando la deriva nel tempo. I moderni sensori di pressione come LPS22DF sono in grado di rilevare in modo affidabile le variazioni a livello di piano.

Condizioni meteo locali

Le condizioni meteorologiche, in particolare i cambiamenti giornalieri di temperatura e umidità, possono influenzare in modo significativo la pressione atmosferica. In un solo giorno la pressione atmosferica può cambiare nell'arco di poche ore dell'equivalente di diversi piani. Nell'esempio che segue, la variazione della pressione atmosferica di 3 mbar equivale a una variazione di altitudine superiore a 23 metri.

Figura 3: Pressione atmosferica oraria a New York City. (Immagine per gentile concessione di https://barometricpressure.app/new-york)

Condizioni atmosferiche e compensazione della pressione locale

La compensazione delle condizioni meteorologiche richiede l'implementazione della calibrazione e della regolazione continua delle letture della pressione sulla base dei dati della pressione atmosferica in tempo reale.

Figura 4: Calibrazione e compensazione per condizioni atmosferiche mutevoli. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Aziende come NextNav³ offrono algoritmi sofisticati e tecniche di fusione sensoriale per compensare i fattori esterni. Pinnacle® di NextNav è un sistema che fornisce un posizionamento verticale preciso "a livello di piano" per applicazioni di geolocalizzazione sfruttando i sensori barometrici. L'azienda ha inoltre implementato una flotta di server gestiti e stazioni di riferimento che servono intere aree metropolitane, assicurando una copertura completa dell'asse z in contesti urbani.

NextNav sta anche lavorando per migliorare la qualità e l'accuratezza dei sensori di pressione atmosferica tramite un programma "NextNav Certified". In collaborazione con i produttori di dispositivi, NextNav svilupperà un piano di test specifico per il modello di sensore e valuterà i risultati dei test in base alle linee concordate. Dopo la certificazione finale, NextNav rilascia una lettera di certificazione a conferma della conformità agli standard NextNav Certified. Grazie a miglioramenti significativi nella precisione assoluta e nell'architettura a bassa deriva, LPS22DF è il primo sensore di pressione di ST a ricevere la certificazione NextNav².

Conclusione

A partire dal 2022, le autorità di regolamentazione hanno imposto che tutti i sistemi vocali debbano soddisfare i requisiti stabiliti dal RAY BAUM'S Act e dalla FCC. I produttori di telefoni, tablet, smartwatch e altri prodotti IoT con funzionalità vocali stanno integrando sensori di pressione più accurati per soddisfare i nuovi standard. Aziende terze come NextNav offrono servizi di certificazione e soluzioni software e hardware per ottenere la precisione verticale richiesta. Oltre a servizi come Enhanced 911, molte altre applicazioni sfrutteranno queste funzionalità hardware e software all'avanguardia.

Riferimenti

1. Posizione inviabile per le chiamate al 911: https://www.fcc.gov/911-dispatchable-location
2. LPS22DF, il primo sensore di pressione di ST a ricevere la certificazione NextNav grazie a funzionalità uniche: https://blog.st.com/lps22df-nextnav/
3. NextNav porta a un nuovo livello la geolocalizzazione: www.nextnav.com
4. Previsioni e storia della pressione atmosferica a New York: https://barometricpressure.app/new-york
5. I sensori di pressione atmosferica LPS001WP e LPS331AP: LPS001WP - Sensore di pressione MEMS, barometro con uscita digitale assoluta 300-1100 mbar - STMicroelectronics