Reti di sensori wireless come strumento per l’IoT

Le reti di sensori wireless o Wireless Sensors Networks (WSN) rappresentano il più diffuso esempio di sistema di misura digitale, basti pensare ai moderni smartphone. Lo sviluppo delle reti 5G e dell'Internet of Things ha innalzato il livello di interesse nei confronti di questa tecnologia. Sempre maggiori sono gli utilizzi di reti di sensori wireless per il monitoraggio di impianti industriali o nell'agricoltura di precisione. Affidabilità, connettività e ridotte risorse energetiche e computazionali sono le caratteristiche principali di questi dispositivi. L'articolo spiega cosa si intende per rete di sensori wireless, la loro storia, le tecnologie, gli utilizzi e l'importanza di software ed hardware dedicati per rispondere alle stringenti specifiche di utilizzo.

Introduzione

Le reti di sensori wireless o dall'inglese Wireless Sensors Networks (WSN) rappresentano un complesso esempio di sistema di misura digitale. Tre le componenti principali: un sistema di elaborazione (il microprocessore), la presenza di convertitori analogico-numerici (A/D) e di interfacce di comunicazione (SPI, I2C). Le WSN rappresentano ormai lo stato dell'arte nei sistemi di misura visto il trend degli ultimi anni, che porta da strutture di tipo centralizzato a misure pervasive. In altre parole, le reti di sensori wireless sono sempre più vicine alla sfera del quotidiano, lasciando quella nicchia industriale che le contraddistingueva nei primi anni. Basti pensare al sempre maggior numero di sensori, e quindi sistemi di misura, che vengono integrati all'interno delle apparecchiature elettroniche (un esempio su tutti è il nostro smartphone). Questo spinge alle necessità di elaborare un elevato numero di informazioni in un lasso ridotto di tempo, misure che necessitano di essere "corrette" e quindi di un attento processo di analisi e calibrazione.

La nascita delle WSN si deve ai primi processi di integrazione di circuiti integrati, ed alla volontà di incrementare le capacità di trasmissione dei dati. Siamo partiti da telecomunicazioni micro-wireless, dalle dimensioni abbastanza elevate, fino ad arrivare agli odierni chip, le cui dimensioni sono dell'ordine dei micron. La diminuzione delle dimensioni ha portato anche un ridotto consumo di potenza, e quindi la possibilità di utilizzare tali sensori senza la necessità di un'alimentazione di rete. Tra gli altri aspetti importanti che hanno portato allo sviluppo delle WSN, sicuramente si annovera la possibilità di avere elevate capacità computazionali in poco spazio. Basti pensare ai moderni microprocessori, dagli Atom fino ad arrivare ai top di gamma Intel ed AMD, per non parlare degli odierni ARM di casa Apple. Le leggi di Moore e Bell ci aiutano a notare questo continuo avanzamento tecnologico (vedi Figura 1).

Figura 1: Grafico di Moore e Bell

Grafici di questo tipo testimoniano i continui progressi tecnologici nella miniaturizzazione, con conseguente abbattimento dei costi.

Storia

Non si può non partire da quelli che sono i cenni storici. Come un pò tutte le cose, la storia delle WSN inizia in ambito militare - il paragone con Internet è d'obbligo. Nel 1978, il DARPA (il centro di ricerca del dipartimento della difesa americano) inizia a lavorare alle prime applicazioni WSN. Viene coniato il concetto di "smart dust", letteralmente "polvere intelligente". L'idea era quella di avere dei piccoli oggetti che funzionassero in modo autonomo e che potessero essere lanciati sul campo di battaglia (ad esempio, da aerei che sorvolano l'area di guerra) così da catturare informazioni sul campo, quali numero di armi e personale militare, condizioni atmosferiche, presenza di sostanze chimiche, etc. Per parlare di sviluppo, dobbiamo però aspettare il 1992 quando l'Università di Berkeley, ed in particolare Kris Pister, inizia a sviluppare i primi nodi, progettare il sistema di comunicazione e la parte di elaborazione dei segnali. È però solo nei primi anni 2000 che le tecnologie informatiche, nonché quelle software, consentono di uscire fuori dai contesti di laboratorio iniziando a parlare di problemi di sistemi operativi dedicati (come TinyOS), di protocolli di comunicazione TCP/IP, e primi test in ambiente all'aperto (outdoor tests).

Da qui si coniano i primi concetti, e le WSN entrano a far parte della letteratura scientifica. Si introduce il concetto di WSN come una rete di sensori, che a sua volta può essere vista come un unico sistema di misura, corpo sensoristico. L'utente vede la rete come un unico corpo, con cui può interagire, raccogliere dati dell'ambiente circostante, elaborarli, per poi spedirli a stazioni di misura poste lontano dal luogo di misura. Da qui, una WSN è una rete wireless che consiste di dispositivi autonomi, distribuiti spazialmente, che utilizzano dei sensori per monitorare in maniera cooperativa delle condizioni che possono essere fisiche, ambientali (presenza di agenti inquinanti, chimici). Un esempio è mostrato in Figura 2.

Figura 2: Esempio rete di sensore wireless.

Figura 2: Esempio rete di sensori wireless

Struttura di una rete WSN

Introdotto il concetto di rete WSN, si può partire definendo le componenti. Una tra tutti è il nodo. I nodi vengono anche chiamati Motes, e comunicano tra loro scambiando continue informazioni. Il passaggio delle informazioni ha un significato di tipo paritario, come se non ci fosse una gerarchia nella rete ma tutti i nodi possono cooperare in modo paritario. La ricerca in questa area ha come primo obiettivo l'elaborazione a basso consumo di potenza, e successivamente quello di distribuire l'onere computazionale (si parla di calcolo distribuito, qualcosa di simile a quello che avviene con i core delle CPU, ma qui il contesto è hardware e non software. Ancora, i core sono fisicamente locati in posizioni diverse dello spazio). La domanda che sorge spontanea è: quali sono le tecnologie che hanno reso possibile lo sviluppo delle WSN? Beh, possiamo principalmente racchiuderle in tre punti (Figura 3):

Embedded: lo sviluppo di sistemi integrati a microprocessore sempre più piccoli, che permettono di ottenere sempre più dispositivi distribuiti, capaci di monitorare ed interagire con il mondo fisico (sistemi elettronici miniaturizzati)
Sensori: vanno ad integrarsi sempre più con l'elettronica, e consentono di acquisire sempre più dati sul mondo fisico
Tecnologie di comunicazione digitale: consentono di coordinare ed eseguire anche compiti ad alto livello, ad esempio lo scambio di dati tra nodi di misura e stazioni centrali (alcune volte sono il cuore dell'elaborazione)

Figura 3: Componenti sistema di rete wireless

In particolare, nel mondo dei sensori ricoprono una grande importanza i sistemi elettromeccanici, detti anche MEMS. Questi sistemi facilitano l'interazione tra il mondo dei sensori e il mondo dell'elettronica (fino a poco tempo fa le principali aziende produttrici di sensori erano per la gran parte aziende meccaniche, non vi erano aziende di elettronica vere e proprie; negli ultimi anni si è avuto un grande sviluppo di sensori prodotti da "aziende elettroniche", soprattutto per sensori come ad esempio accelerometri, sensori capacitivi per i touch screen, ed i giroscopi). Un accelerometro MEMS (Figura 4) viene realizzato attraverso delle piccole barre di silicio sospese, contraddistinte da una loro massa (anche se piccola) e che, se sottoposte a delle accelerazioni, subiscono una flessione. Questa flessione le porta a vibrare, consentendo di effettuare delle misure di accelerazione. Un sistema capacitivo, sensibile a queste vibrazioni, fornisce poi una misura in tensione per la codifica accelerazione-tensione.

Figura 4: Schema accelerometro MEMS

L'avvento dei MEMS ha consentito di misurare grandezze fisiche prima impossibili, o altamente costose ed imprecise. Esempi di MEMS si trovano anche in ambiente biologico e chimico. Ancora, i MEMS trovano applicazione anche nel contesto delle telecomunicazioni dove consentono di realizzare banchi di filtri LC, cioè filtri risonatori con una fattore Q, in poche decine di micron. Questi sono solo alcuni degli esempi di MEMS, e delle loro applicazioni nei contesti moderni. Aiutano a capire quando la tecnologia abbia allargato le possibilità di acquisire dati dal mondo esterno, e quanto questo si sia ripercosso nella nascita di reti di sensori wireless.

Problemi e sfide

Uno dei principali problemi che si registrano nel lavorare con le WSN è nella dissipazione di potenza. Uno dei primi obiettivi che si cerca di soddisfare quando si progetta una rete di sensori wireless è ridurre il consumo energetico. Avere un consumo energetico elevato significa avere una batteria di capacità elevata, quindi dimensioni e peso maggiori. Ancora, avere sistemi di alimentazione (rinnovabili o fissi) per il sensore. Dunque, si cerca di tenere il consumo di energia quanto più basso possibile in fase di progettazione della rete, ed in particolare di un nodo. Un nodo è costituito principalmente dal cuore, un microcontrollore, che interagisce con la sorgente di alimentazione (tipicamente una batteria) e con una memoria (la mente) che può essere parte volatile e parte non volatile, infine un transceiver o un trasmettitore/ricevitore radio che consente lo scambio dei dati con l'esterno nonché la ricezione di comandi o aggiornamenti software. [...]

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