Ma a cosa serve una rete di sensori wireless?

Wireless Sensor Network Immagine tratta da: http://zone.ni.com/cms/images/devzone/tut/Application_Areas.jpg

Quando nel biennio ’70-’80 il mondo provava ad immaginare il nuovo millennio non riusciva a non augurarsi che fosse iper-moderno, avveniristico e ricco di interattività di altissimo profilo capace di semplificare la vita di ogni giorno grazie al più piccolo e semplice gesto. Oggi questa è ancora una prospettiva ma infinitamente più vicina e le Wireless Sensor Network si candidano a rendere tutto questo possibile. Vediamo insieme alcune esempi e soluzioni tra le quali gli Smart Sensor indicati dalla IEEE 1451.

Se si parla di sensori oggi, si fa riferimento ad elementi in grado di trasformare una grandezza, fisica, in una grandezza elettrica che siamo capaci di interpretare, elaborare, codificare e manipolare al fine di ottenere delle informazioni. Tuttavia, molto spesso, i dati di cui abbiamo bisogno non sono rilevati solo da un sensore ma da una serie di questi. Così come spesso accade che quello di cui abbiamo bisogno sia una serie di dati differenti tra di loro ma magari in contemporanea. È con queste premesse che la tendenza odierna punta alla realizzazione di reti di sensori. Nasce la necessità di implementare un’infrastruttura di rete che sia in grado sia di connettere diversi sensori tra loro sia di permettere l’elaborazione a distanza. Ed è in questo scenario che nascono le WSN, ovvero Wireless Sensors Network.

La ricerca, con ciò, però, punta all’utilizzo dei cosiddetti “smart sensor“, ovvero di apparecchi in grado di integrare le funzioni necessarie per la corretta visualizzazione e misurazione. In pratica, semplificando e banalizzando un po’, si tratta di sensori che integrano l’elettronica di front-end. La struttura del tipico smart sensor è la seguente:

Le informazioni provenienti da questo tipo di sensori devono confluire all’interno dei cosiddetti Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), ovvero dei file che permettano l’identificazione (e quindi una completa anagrafica) e la descrizione dell’apparato, che riportino le operazioni di calibrazione necessarie per il funzionamento, e quindi quali sono i fattori di correzione, nonché l’ultima operazione effettuata o magari anche un log del pregresso, ed in ultimo l’applicazione, ovvero qualche dettaglio sul canale utilizzato e le coordinate di provenienza della misura.

Esistono, poi, anche altri fattori che è necessario considerare, tra i quali ci sono le dimensioni dei sensori, e quindi tutte le problematiche dei package, che riguardano e fanno riferimento all’utilizzo di questi sensori in ambienti inospitali oppure in condizioni operative “estreme”.

Il TEDS può essere, quindi, fatte queste valutazioni, inserito in ciascun dispositivo e questa operazione rappresenta il primo passo verso la costituzione dei sensori intelligenti.

È importante valutare, adesso, il ruolo del blocco denominato “Application Algorithm”; esso, come il nome suggerisce, conterrà al suo interno degli algoritmi specifici che sono riferiti all’applicazione in oggetto. Tali programmi non saranno soltanto finalizzati alle misurazioni ma anche alla funzione di auto diagnostica e calibrazione che periodicamente sarà necessario effettuate non soltanto sul singolo sensore ma, nei casi più complessi, anche in una rete. Sarà importante, infatti, che ciascun sensore sia in grado di comunicare con gli altri anche sullo stato di effettiva comunicazione avvenuta, di modo che l’intera rete sia autosufficiente nella funzione di test e permetta la pronta segnalazione di qualunque problema funzionale non appena esso insorga.

Se queste rappresentano funzionalità avanzate, molto meno lo sono le misure nel tempo e la localizzazione nello spazio (anche reciproca), utilizzando, tra gli altri, i sistemi GPS quando necessario.

Il grosso vantaggio rappresentato da queste reti risiede nel fatto che la mole di dati di cui disporremo, una volta che la rete sarà in funzione, permetterà un controllo “istantaneo” e preciso dell’intera evoluzione del comportamento del sistema.

La possibilità di utilizzare più sensori garantisce anche, com’è facile capire, una migliore precisione e risoluzione dei dati. Di fatto, una misura è una stima e, come tutte le grandezze aleatorie, maggiore è il volume di dati che si ha a disposizione, minori saranno gli errori nella stima della grandezza stessa.

Le comunicazioni

Tutto questo può avvenire se e soltanto se è fisso, e definito univocamente, il protocollo di comunicazione che verrà utilizzato. È necessario, pertanto, che vi siano standard di comunicazione che possano permettere l’interconnessione di trasduttori ed attuatori verso le unità di elaborazione (i microcontrollori).

La figura seguente ci permette di schematizzare quali sono i blocchi funzionali che permettono l’implementazione dei sensori smart, così come proposta dallo IEEE 1451. Esso introduce il concetto di Network Capable Application Processor (che indicheremo in breve come NCPA); questa “grandezza” fa riferimento ad una “finestra” attraverso la quale i sensori in oggetto possono comunicare con la struttura di rete esterna. Si tratta, in effetti, di un vero proprio approccio progettuale che segue il criterio modulare, ovvero è pensato a blocchi funzionali.

Secondo l’IEEE 1451.2 viene introdotta anche la nozione di Smart Transducer Interface Module (STIM), ovvero un’interfaccia digitale, con annesso protocollo di comunicazione seriale, grazie a cui il sensore, il trasduttore oppure un gruppo di essi, può scambiare informazioni (perché la comunicazione può essere bidirezionale!). Questo “blocco funzionale” svolgerà la funzione di interfaccia tra l’NCAP e i sensori stessi di modo che sia consentita l’elaborazione, nonché il condizionamento, del segnale.

Altre definizioni utili vengono date nella famiglia IEEE 1451.3, ed in particolare si fa riferimento all’interfaccia indicata dall’acronimo DMS, che sta per  Distributed Multidrop System. Il suo stato è quello di realizzare le interconnessioni fra i diversi sensori (trasduttori). Le comunicazioni, la sincronizzazione ed il trasferimento delle informazioni risultano quindi possibili e facilitate.

Per approfondire la questione, potete consultare questo link di riferimento.

Oltre la tecnologia che c’è già…

Sostanzialmente la grande novità è rappresentata dall’assenza di connessioni via cavo che consente, di per sé, l’impiego dei dispositivi senza alcuna limitazione in potenza. È, infatti, vero che dove siamo in grado di portare una connessione via cavo per i dati è sempre possibile “aggiungere” delle linee di alimentazione. La contropartita è rappresentata dal fatto che bisogna essere “fisicamente sul cavo” per poter prelevare il dato, ovvero è necessario essere connessi.

Questo tipo di connessione soffre di alcune limitazioni che riguardano la possibilità di essere installate in ambienti inospitali o con condizioni operative estreme (si pensi ad un altoforno o ad impianti industriali che operano nel settore chimico). Questo evidenzia anche la necessità di caratterizzare il sistema con materiali resistenti alle condizioni di lavoro (se parlassimo di satelliti avremo bisogno di materiali che siano “radiation hardened”).

Una struttura cablata è, per sua stessa natura, “rigida” ovvero prevede una distanza massima tra i sensori, una certa lunghezza di collegamento, tipicamente non modificabile facilmente E a piacimento, con conseguente limitazione anche delle regioni all’interno delle quali è possibile installare i vari sensori. All’interno di un’abitazione potremo avere, quindi, problemi a monitorare la temperatura in ogni stanza, per esempio.

È proprio in questi contesti, in questi ambienti, e per venire incontro alla risoluzione di queste problematiche, che nascono i sensori smart. Anche perché, spostare un solo sensore potrebbe essere non solo inutile ma controproducente. Pertanto la soluzione wireless sembra davvero quella ideale, non soltanto quella più efficace.

E visto che stiamo parlando di reti wireless non possiamo che fare riferimento ad un altro standard, quello IEEE 802.11 sulle Wireless Local Area Network (meglio noto con l’acronimo WLAN).

Per fare questo, è necessaria un’analisi dei requisiti: in questo senso grandezze come sicurezza, consumo di potenza, distanze, rapporto segnale rumore ed altre, risultano “standard“. È possibile, però, che per ciascuna specifica applicazione queste reti debbano essere dimensionate tenendo conto di parametri che sono particolarmente ed altamente specializzati, ad esempio la caratterizzazione dei singoli sensori piuttosto che l’utilizzo di telecomandi particolari. È importante definire queste grandezze perché sono le dimensioni stesse delle reti che possono variare in funzione della specifica applicazione.

Poco tempo fa, tanto per fare un esempio, abbiamo pubblicato un articolo sull’energy harvesting ed abbiamo utilizzato un’immagine (Ponte di Brooklyn) che suggeriva l’implementazione di reti di sensori smart, in questo caso piezoelettrici, il cui impiego fosse quello di trasformare le vibrazioni in energia elettrica. Un esempio del genere suggerisce chiaramente come le funzioni specifiche dei sensori debbano essere parte del progetto ma non possono essere riferite a sensori generici in applicazioni qualsiasi. La distanza, in particolar modo, in questo caso è un fatto di particolare rilevanza perché se pensiamo semplicemente al ponte di Brooklyn, la cui lunghezza e di 1825 m, si capisce facilmente che la gestione dei dati deve essere fatta almeno a 2 km di distanza e pertanto l’integrità dei dati e la capacità di comunicarli richiede una progettazione ad hoc. A tale scopo dotare i sensori di TEDS specifici rappresenta certamente una soluzione ottimale.

Raccolta dei dati e tipi di reti

Riprendiamo adesso un concetto, ovvero quello della raccolta delle informazioni: ciascun sensore deve essere ispezionabile da un operatore che lavori ad un quadro di controllo generale dell’impianto ed è per questo motivo che la rete non potrà fare a meno di avere un’organizzazione “deterministica” rispetto al tempo di accesso e di comunicazione, così come accade già nelle reti in uso, ad esempio su Internet.

Sempre riguardo la distanza, è importante fare riferimento al tipo di rete con cui abbiamo a che fare. Nella figura che segue quello che possiamo osservare sono tutte le tipologie di Area Network che siamo in grado di creare, studiare, caratterizzare ed implementare sulla base della distanza e, più in generale, della loro dimensione. Com’è noto, questo grafico si riferisce a reti cablate ma è facile intuire che la tipologia di reti wireless può facilmente essere adattata a questo medesimo schema. In particolare, come già accennato in precedenza, sono proprio le WLAN ad essere assimilabili alle reti LAN.

I vantaggi delle WSN

Tornando alle reti di sensori, le categorie già viste possono essere arricchite dalla definizione delle specifiche applicazioni, per esempio se stiamo parlando di applicazioni consumer oppure definite in ambito militare. Certamente tutto questo sarà diverso se applicato nel caso dell’ingegneria civile, come nell’esempio del ponte di prima, oppure al già citato altoforno.

Il motivo per cui queste reti risultano molto interessanti è che permettono l’abbattimento dei costi di installazione, proprio per le valutazioni sui materiali, per esempio, che facevamo prima. Il sistema, in linea teorica, potrebbe anche essere di più facile ispezionabilità, per via del fatto che non c’è bisogno di metter mano “all’intero sistema” ma a singoli sensori localizzati in posizioni note. Questa costituzione, in teoria, potrebbe anche diminuire i costi di manutenzione, al pari di quello che succede quando in un impianto di illuminazione con più lampade di cui se ne fulmina soltanto una e le altre sono ancora funzionanti.

Altro aspetto per cui wireless risulta sinonimo di interessante è il fatto che i cavi, ma anche i connettori, per loro stessa natura, possono essere soggetti a rottura e, nella migliore delle ipotesi solo, ad usura. Un esempio di questo tipo di problemi è quello della connettività dell’ultimo miglio da cui sono affette le WAN.

Il terzo aspetto che rende questa soluzione ottimale è già stato citato in precedenza; ovvero si tratta della mole di dati. In pratica questo aspetto potrebbe essere vincolato, o mortificato, solamente dalla nostra capacità di memorizzare i dati rilevati mentre con sensori cablati sarebbe molto più difficile riuscire ad ottenere la stessa “densità di informazioni”.

Resta aperto, comunque, il problema della sicurezza: su una rete cablata avere accesso ai dati, come accennato in precedenza, richiede che qualcuno sia fisicamente sul cavo, ovvero che vi sia fisicamente attaccato. Nelle reti wireless, evidentemente, non è così ed è per questo che specifiche misure di sicurezza devono necessariamente essere prese in considerazione, anche e soprattutto in base al tipo di dato che sulla rete transita.

Io ne metterei una qui… qui… è anche qui!

In ultimo veniamo ai dati ed alle principali applicazioni potenziali di questa tecnologia. Le reti di sensori possono essere impiegate per rilevare, tra le altre, le seguenti grandezze:

  • velocità e direzione degli oggetti;
  • livelli di rumore o intensità sonora;
  • temperatura ed umidità;
  • agenti inquinanti o sostanze presenti nell’atmosfera;
  • condizioni di illuminazione;
  • parametri biometrici come pressione, glicemia ed altri.

Anche soltanto citandoli si intuiscono le potenziali applicazioni: in ambito medicale, ma anche militare, è possibile ottenere una completa biometria del soggetto, garantendo la possibilità di studiare il suo stato di salute anche a distanza.

In campo tattico si può facilmente ottenere una rilevazione degli spostamenti delle truppe, è possibile effettuare sorveglianza e coordinazione delle azioni. Inoltre le operazioni di localizzazione dei bersagli potranno essere molto più precise. In un campo applicativo così delicato è importante garantire che la distruzione di uno o più elementi sensibili non influenzi il funzionamento dell’intera rete ma che lasci il resto di essa comunque funzionante.

Le applicazioni biomedicali non si fermano certo ad un monitoraggio dei pazienti, visto che in una struttura ospedaliera è importante mantenere una temperatura costante all’interno dei reparti ma anche un controllo estremamente preciso sui livelli di ossigeno ed altre sostanze volatili all’interno, per esempio, delle sale operatorie o di altri locali altamente specializzati. Senza considerare che la possibilità di rilevare anche basse concentrazioni di allergeni può evitare conseguenze drammatiche. E se ciascun medicinale fosse distribuito attraverso confezioni smart, sarebbe possibile l’identificazione del singolo farmaco ed ogni paziente potrebbe beneficiare di tutte le informazioni dello stesso. Immaginiamo un soggetto intollerante al lattosio che grazie ad un farmaco smart ed ad uno “smart sensor detector” sia in grado velocemente di sapere che uno degli eccipienti del farmaco in oggetto è proprio il lattosio.

Senza considerare tutte le applicazioni in ambito dell’ingegneria civile e quindi della gestione monitorizzazione della vita di una città, dall’inquinamento, traffico, all’efficienza della rete fognaria.

A conclusione di questo discorso, un esempio che vale mille parole è questo:

La rete funziona, in linea di massima e molto sommariamente, così:

  • si verificano i fenomeni di eruzione o terremoto;
  • i nodi rilevano l’attività di natura sismica;
  • alla stazione base viene inviato un report completo e si può agire di conseguenza.

Conclusioni

In breve, c’è semplicemente da rimanere a bocca aperta pensando a cosa questa tecnologia potrebbe permettere di fare. La ricerca ed il suo futuro sviluppo ci fanno pensare che la realtà quotidiana del futuro, magari anche prossimo, potrebbe davvero essere “smart” e al servizio del singolo così come della collettività.

 

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6 Comments

  1. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 8 novembre 2012
  2. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 8 novembre 2012
  3. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 8 novembre 2012
  4. Emanuele Emanuele 8 novembre 2012
  5. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 8 novembre 2012
  6. Boris L. 9 novembre 2012

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