Reti di sensori wireless per applicazioni IoT

I sensori e le reti sviluppati in questi ultimi anni proliferano già in ambienti industriali che vanno dalle raffinerie di petrolio alle classiche linee di produzione. A differenza delle applicazioni consumer, quelle industriali valutano tipicamente i requisiti di affidabilità e sicurezza in cima alla lista di progettazione.

Introduzione

Una rete di sensori wireless (WSN, Wireless Sensor Network) è un insieme di migliaia di piccoli sensori (o nodi) autonomi distribuiti fisicamente in uno spazio. Questi sensori sono collegati in modo efficace e comunicano reciprocamente tra loro tramite onde a radiofrequenza (RF), con l'obiettivo di monitorare e comunicare lo stato o le condizioni locali ambientali, quali temperatura, vibrazione, pressione, movimento e così via. Questi sensori intelligenti possono supervisionare automaticamente i processi e non richiedono alcun intervento manuale a meno che non si verifichi un errore di processo che non può essere corretto tramite l'azione del nodo intelligente o tramite comandi umani avviati da remoto. Storicamente, le attività industriali fissano i loro requisiti di design su due fattori principali: affidabilità e sicurezza. In tal senso, le reti di sensori Wireless hanno incontrato molte difficoltà. Il gruppo di prodotti  Dust Networks di Linear Technology (ora Analog Devices) ha aperto la strada a diverse tecnologie chiave per ottimizzare le loro funzionalità IoT industriali, tra cui WirelessHART (IEC62591) e lo standard emergente 6TiSCH IETF.   Nelle applicazioni consumer, il costo è spesso il fattore chiave su cui ruota il design di un prodotto; da questo punto di vista le applicazioni industriali si fondono su diversi aspetti legati all'affidabilità e sicurezza. Due parametri importanti considerando la redditività di un azienda che si fonda su qualità ed efficienza con cui producono i beni che vengono immessi sul mercato. Per la maggior parte, le industrie affermate stanno aggiungendo servizi di IoT al fine di introdurre un'intelligenza nel sistema e migliorare quindi le attività produttive. I sistemi dovrebbero essere disponibili per l'implementazione globale, poiché l'adozione diffusa di IoT industriale da parte degli utenti finali è spesso a livello aziendale e richiede la standardizzazione multisito. Le reti industriali devono funzionare continuamente e per molti anni, quindi  il posizionamento preciso di un sensore o di un punto di controllo è fondamentale. La qualità di una rete che funziona correttamente dopo l'installazione può essere influenzata da una varietà di fattori tra cui la gestione dell'energia e interferenze di segnali. Inoltre, le reti IIoT dovrebbero includere le capacità di auto-diagnosi in caso di problemi nel processo produttivo.

Reti Mesh

Un classico esempio di attività industriale è la produzione di wafer per la fabbricazione di circuiti integrati costituiti da miliardi di transistor. Durante il processo di lavorazione, vi è la necessità di misurare con precisione diversi parametri di gas chimici in ogni fase di produzione. Per la maggior parte, queste attività devono essere automatizzate senza interrompere il processo produttivo. Un'imprevista interruzione del flusso di questi gas comporterebbe un ritardo nella produzione con perdite e costi inaccettabili nelle spedizioni di prodotti ai clienti. Per evitare tempi di inattività, i tecnici devono registrare vari parametri dei gas utilizzati almeno tre volte al giorno. Questo processo svolto manualmente è soggetto a errori umani ed è costoso da mantenere. Per risolvere il problema del cablaggio senza interrompere il processo di fabbricazione, una rete mesh wireless denominata SmartMesh IP a 32 nodi può essere impiegata per monitorare la pressione di ciascun serbatoio di gas (Figura 1).

Figura 1: rete mesh wireless

 

Una SmartMesh IP consiste in una rete multi-hop  altamente scalabile di nodi wireless conosciuti come Motes, che raccolgono e trasmettono dati ad un gestore di rete che monitora e gestisce le prestazioni e la sicurezza della rete, e scambia dati con un'applicazione host. Con la gestione avanzata della rete e le funzionalità di sicurezza, SmartMesh IP offre connettività wireless affidabile, scalabile ed efficiente dal punto di vista energetico. Utilizzando fino a 8 volte meno energia rispetto ad altre soluzioni, SmartMesh IP è la tecnologia più efficiente del settore anche in ambienti RF difficili e dinamici. È un modo eccellente per creare un'infrastruttura di rete intelligente e a bassa potenza. Il concetto chiave alla base dell'Internet of Things (IoT) consiste nel consentire a cose connesse, come luci e termostati contenenti tecnologie di sensori incorporati, di comunicare senza fare affidamento su PC o servizi hub dedicati. Ciò rende molto più semplice costruire una rete di cose connesse ed è relativamente poco costoso.

Sebbene l'IoT sia principalmente discusso in termini di automazione domestica, le reti mesh sono ideali per supportare non solo queste applicazioni ma anche altre applicazioni IoT a bassa potenza e bassa velocità dati come l'automazione industriale, il monitoraggio delle forniture mediche e altre cose all'interno degli ospedali, e persino l'agricoltura o le operazioni di petrolio e gas in alcune delle località più remote del mondo. Basato sullo standard IEEE 802.15.4e, SmartMesh IP crea reti full-mesh, a volte denominate reti "mesh-to-the-edge". Le reti SmartMesh IP utilizzano una combinazione di tre tecnologie mesh: diversità temporale, diversità di frequenza e diversità fisica per garantire affidabilità, resilienza, scalabilità e facilità d'uso. Il punto fondamentale della tecnologia è una rete mesh intelligente con algoritmi avanzati e tecnologie di risparmio energetico, che abilitano potenti funzionalità non disponibili da altri provider WSN tra cui un supporto dinamico della larghezza di banda. Nell'ambito della produzione dei circuiti integrati come descritto in precedenza, le letture di pressione  vengono comunicate a un sistema di monitoraggio centrale tramite la rete wireless SmartMesh. Ogni nodo è connesso a una coppia di sensori che invia le letture attraverso la rete mesh wireless a un server Web attraverso l'edificio. Nella sala di controllo, gli strumenti software di gestione visualizzano le letture in tempo reale e calcolano automaticamente le linee di tendenza per prevedere i programmi regolari per la sostituzione delle bombole di gas. Inoltre, le soglie di bassa pressione sono impostate per avvisare i tecnici dell'impianto qualora i cilindri raggiungano livelli di avvertenza prima della sostituzione programmata.

Smart Mesh Networking

Le reti SmartMesh comunicano utilizzando la tecnologia layer link Time Synchronized Channel Hopping (TSCH), una tecnica introdotta dal team SmartMesh di Analog Devices che rappresenta un tassello fondamentale per gli standard di rete wireless mesh, come WirelessHART (IEC62591) e IEEE 802.15.4e. In una rete TSCH, tutti i punti sono sincronizzati in pochi microsecondi. Il tempo nella rete è organizzato in fasce orarie, che consente scambio di pacchetti senza collisione. Il fulcro di una SmartMesh è rappresentato dal system on chip (SoC) Eterna IEEE 802.15.4e, dotato del progetto radio Analog Devices altamente integrato a bassa potenza da 2,4 GHz, oltre a un microprocessore ARM Cortex-M3 a 32 bit. L'utilizzo di TSCH consente ai dispositivi SmartMesh di operare a bassissima potenza, in genere con un duty cycle inferiore all'1%. Il gestore di rete utilizza TSCH per garantire un consumo di energia ultra-basso in ogni nodo di instradamento. Tutto il traffico in una rete SmartMesh è protetto da crittografia end-to-end, controllo dell'integrità dei messaggi e autenticazione dei dispositivi. Inoltre, il gestore di rete SmartMesh include applicazioni che consentono l'unione sicura della rete, la creazione e lo scambio di chiavi. L'hardware SmartMesh IP 802.15.4e è disponibile in un package di chip o come PCBA (Printed Circuit Board) pre-RF. Il comportamento della rete  è definito dal tipo di software SmartMesh IP caricato sull'hardware (figura 2 e 3).

Figura 2: LTC5800-IPM è il prodotto IP mote della famiglia Eterna di SoC IEEE 802.15.4e, dotato di un microprocessore ARM Cortex-M3 a 32 bit in esecuzione su software di rete SmartMesh IP embedded.

 

Figura 3: una rete inizia a formarsi quando il gestore istruisce la sua radio Access Point (AP) ad iniziare l'invio di messaggi contenenti informazioni che consentono ad un dispositivo di sincronizzarsi alla rete. Questo scambio di messaggi stabilisce una serie di comunicazioni crittografate
tra il gestore o l'applicazione e il Mote. Una volta che hanno aderito alla rete, viene mantenuta la sincronizzazione attraverso correzioni temporali quando un pacchetto viene riconosciuto.

Conclusioni

Uno dei fattori più importanti durante la progettazione di Wireless Mesh Sensor Networks (WMSN) è quello di garantire la connettività di collegamento permanente tra le coppie di origine-destinazione durante l'intera operazione dell'applicazione. A differenza di altre topologie (ad es. la topologia ad albero), una rete mesh garantisce l'affidabilità del collegamento attraverso la possibilità di più percorsi che collegano sorgenti e destinazioni. I sensori / nodi intelligenti distribuiscono i dati in modo cooperativo ad altri sensori intelligenti attraverso vari percorsi possibili nella rete, conducendo le informazioni verso una direzione dove possono essere elaborate, archiviate e gestite. La funzionalità wireless offre enormi vantaggi. L'aggiunta di sensori remoti (spesso con capacità decisionali locali) senza costi di posa cavi o fili consente di risparmiare lavoro, energia e materiali e di migliorare i processi produttivi attraverso il monitoraggio e la correzione da qualsiasi luogo. Un WMSN deve fornire caratteristiche di tolleranza agli errori e di autoriparazione al fine di far fronte a varie preoccupazioni, come cambiamenti della topologia, condizioni ambientali dinamiche aggressive o interferenze radio. In particolare, l'interferenza può essere causata da diversi fenomeni: dispositivi di rete che condividono lo stesso mezzo di trasmissione o segnali esterni provenienti da altre tecnologie wireless che operano nella stessa banda, come il Wi-Fi. I WSN stanno creando nuovi usi, soluzioni e applicazioni, offrendo enormi vantaggi e cambiando il paradigma con cui opera l'industria.

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 17 gennaio 2018

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