Progettiamo una Sensor Network per i parametri ambientali – Parte 1

Nell’ultimo decennio si sono sviluppate moltissime piattaforme hardware orientate all’Internet of Things in tutte le sue forme ed applicazioni: domotica, monitoraggio, applicazioni industriali, automotive e tanto altro ancora. Infatti, grazie all’utilizzo di schede come Arduino, ESP32, Raspberry Pi o le tante altre soluzioni dei diversi produttori, è diventato estremamente semplice ed immediato realizzare degli oggetti connessi efficienti mantenendo comunque un costo ridottissimo, e adatti a qualsiasi applicazione sia essa indoor che all’aperto. La possibilità di integrare i più svariati sensori e protocolli di comunicazione ha permesso inoltre di poter realizzare qualsiasi Sensor Network, sia cablata che wireless. In questa serie di quattro articoli andremo a progettare una WSN (Wireless Sensor Network) per il monitoraggio dei principali parametri ambientali all’interno della propria casa. In questo articolo affronteremo la prima parte, ossia l’introduzione al progetto con un particolare focus sull'architettura della rete che vogliamo realizzare.

Introduzione

Questa serie di articoli è stata concepita per fornire un tutorial non solo pratico ma anche tecnico per la realizzazione della propria rete di sensori wireless ad un costo veramente ridotto. Per la soluzione hardware adottata (schede Arduino o basate su moduli ESP) la rete è concepita in linea di principio per applicazioni casalinghe ma, con i dovuti accorgimenti e migliorie, può essere facilmente estesa anche ad applicazioni all’esterno come il proprio giardino oppure ad ambienti professionali come uffici e/o impianti industriali. La serie/tutorial per la Progettazione di una Sensor Network è composta da 4 articoli, che tratteranno le seguenti tematiche:

Parte 1: Introduzione al progetto
Parte 2: I sensori
Parte 3: L’aggregazione dei dati
Parte 4: Il cloud e gli sviluppi futuri

Nel corso di questa prima parte di progetto affronteremo i concetti e le cause che spingono alla realizzazione di reti di sensori per il monitoraggio ed affronteremo un’introduzione generale all’architettura del progetto che stiamo realizzando, con un focus particolare sulla comunicazione adottata per lo scambio di informazioni tra i vari nodi.

La necessità di monitorare i parametri ambientali
I fondamenti di una sensor network
L’architettura del progetto

La necessità di monitorare i parametri ambientali

L’inquinamento dell’aria a causa della presenza di particolari sostanze è un effetto nocivo per la salute umana e del pianeta. Le sostanze pericolose non sempre sono inserite nell’elenco delle sostanze inquinanti ma, alcune volte, è semplicemente la differente concentrazione di queste sostanze già presenti nell’aria a determinarne la pericolosità, come ad esempio l’azoto o l’anidride carbonica. La qualità dell’aria e dunque il suo monitoraggio risulta essere un fattore cruciale per garantire la sicurezza di tutto il mondo. La tematica del monitoraggio dei parametri ambientali è divenuta sempre più estesa ed articolata in quanto elemento fondamentale di ecosostenibilità in molti contesti quali:

spazi all’aperto come le città per la valutazione degli inquinanti
stazioni meteorologiche
spazi al chiuso ristretti come può essere la propria abitazione
spazi al chiuso vasti come industrie o edifici (i cosiddetti edifici intelligenti)

La funzionalità di monitoraggio continuo dei parametri ambientali, in genere è fondamentale per la valutazione della qualità dell’ambiente monitorato a prescindere dal contesto applicato. Quando si parla di qualità dell’ambiente si esprime di fatti un concetto valido sia in termini di sicurezza che di comfort, poiché solo in un ambiente sano e di qualità si vive bene. E questo vale non solo per gli spazi all’aperto come le città, ma il concetto si adatta bene anche ai contesti indoor quali le abitazioni private o gli spazi di lavoro. Temperatura, umidità, pollini, smog, rumorosità, luminosità e tanti altri parametri possono essere fattori fondamentali per definire la qualità dell’ambiente su cui ognuno dovrebbe puntare per vivere al meglio. Di seguito vi elenco solo alcuni esempi di parametri o grandezze da monitorare (Figura 1) per valutare la qualità degli ambienti in cui viviamo e poterli migliorare:

qualità dell’aria che respiriamo sia dentro che fuori casa
qualità dell’acqua che usiamo nelle routine quotidiane
la temperatura ideale dei locali in cui lavoriamo o dormiamo
il tasso di umidità relativa degli ambienti
livello di monossido di carbonio
la presenza e l’entità dei campi elettromagnetici che può determinare un livello di elettrosmog causato dalla presenza di innumerevoli dispositivi wireless
la presenza e il livello di rumorosità
l’intensità luminosa

Figura 1: Esempi di parametri e grandezze da monitorare

Per il Ministero della Salute, le condizioni microclimatiche ottimali per gli ambienti interni in cui viviamo sono riportate nella seguente tabella:

Stagione	Temperatura dell'aria (°C)	Umidità Relativa (%)	Velocità dell'aria (ms)
Inverno	19-22°C	40-50%	0,01- 0,1 m/s
Estate	24-26°C	50-60%	0,1 - 0,2 m/s

Con lo sviluppo tecnologico e l’elevato grado di integrazione raggiunto negli ultimi anni, oggigiorno è possibile sviluppare sensori per l’acquisizione delle più svariate grandezze fisiche, realizzando di fatto oggetti veloci ed accurati in maniera semplice ed immediata. Grazie a particolari sensori, inoltre, è possibile acquisire e monitorare la presenza di sostanze nocive come il monossido di carbonio, anidride carbonica, composti organici volatili o altre tipologie di gas.

Il concetto di sensor network

La raccolta di informazioni su vasta area, come il monitoraggio della qualità dell’aria di una città o dei parametri vitali di una coltivazione, è una tematica molto complessa sia dal punto di vista della fattibilità ingegneristica che dal punto di vista della quantità e qualità delle informazioni raccolte, nonché della loro elaborazione per garantire il fine della Sensor Network realizzata. In funzione del contesto applicativo della rete di sensori, questa può trovare differenti scopi ed utilità: economico, sociale, scientifico e via dicendo. Infatti, grazie alla vastità e complessità della rete si possono monitorare fenomeni naturali (basti pensare alle stazioni per le previsioni meteo), o anche l’effetto serra o causati dall’uomo come gli incendi. In contesti più residenziali, inoltre, è possibile monitorare lo stato di un immobile o anche i suo consumi. La progettazione di una Sensor Network parte sempre da un’oculata pianificazione degli elementi fondamentali della rete tra cui i sensori detti anche end-device, i concentratori, detti nodi di Data-aggregate e la comunicazione per lo scambio di informazioni tra i nodi. La tipologia di connessione alla rete utilizzata dai nodi è un elemento fondamentale per la corretta pianificazione e realizzazione di una Sensor Network. Gli elementi fondamentali sono sicuramente la tipologia di nodi adoperati e la loro collocazione fisica. Infatti, ciò determina anche se è necessario utilizzare una connessione di tipo wireless (Wi-Fi, gsm, xBee ) oppure una connessione di tipo wired (la più comune sicuramente la rete Ethernet). Ormai, la stragrande maggioranza delle applicazioni utilizzano la rete Wi-Fi dal costo economico e ormai ovunque disponibile. In passato, invece si utilizzavano connessioni wireless di tipo xBee mentre il gsm è sempre stata una tecnologia dal costo maggiore e complessa da poter gestire (gestire le sim, il costo dei messaggi o della connessione per il trasferimento delle informazioni, la copertura della rete, e via dicendo).

Le caratteristiche vincenti per una Wireless Sensor Network sono:

- semplicità nella configurazione e nel successivo utilizzo
- completezza: devono essere presenti oggetti per svolgere tutte le funzionalità della rete stessa
- compattezza ed economicità
- versatilità nell’applicazione: il sistema deve essere concepito per un uso generico

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