Wireless sensor network

Una Wireless Sensor Network (WSN) è una rete di piccoli nodi (o motes) capaci di ospitare sensori con capacità di comunicazione wireless, di eseguire delle elaborazioni sullo stesso nodo e di comunicare attraverso protocolli di rete ad hoc.

Negli ultimi anni si è andata affermando una tendenza sempre maggiore alla miniaturizzazione e alla portabilità degli accessori tecnologici, ne sono un esempio il grande boom del mercato della telefonia mobile, dei palmari e dei notebook. Quasi tutti questi apparecchi nascono con il proposito di rendere possibile lo scambio d’informazioni senza il bisogno di una rete cablata, ovvero con l’ausilio di una rete wireless (dall’inglese “senza fili”).

L’introduzione di queste tecnologie ha reso il mondo delle telecomunicazioni più flessibile, introducendo la possibilità che installare una rete in qualsiasi ambiente. Ovviamente, si tratta di una tecnica che, pur mantenendo legami con il vecchio concetto di LAN (Local Area Network), introduce sostanziali novità, prima fra tutte il fatto che attualmente le WLAN (Wireless LAN) nascono, soprattutto, in ambienti di piccola o media estensione, con-trariamente alla controparte cablata che va sempre più orientandosi verso le cosiddette MAN (Metropolitan Area Network) o WAN (Wide Area Network). In realtà non è in previsione un’estensione delle WLAN verso tali estensioni, quello che il futuro sembra indicare come possibilità più probabile, è la creazione di reti senza fili per l’accesso alla Rete globale, la quale resterebbe tuttavia in forma cablata date le migliori prestazioni in materia di larghezza di banda e qualità del servizio. Andiamo però a vedere in dettaglio alcuni dei pregi e dei difetti di questa nuova tecnologia, vediamo per primi i vantaggi che porta:

FLESSIBILITA’: i dispositivi wireless, all’interno delle zone di copertura del segnale, possono comunicare senza restrizioni di sorta. Le onde radio possono attraversare muri e porte, si possono inserire ricevitori e trasmettitori praticamente ovunque. Si tratta di un grande vantaggio laddove il cablaggio era reso impossibile e richiedeva, ad esempio, lavori interni alla struttura di un edificio.
PROGETTO: non c’è bisogno di una rigorosa organizzazione della rete, se tutti i dispositivi seguono lo stesso standard possono comunicare senza un progetto organico di Inoltre, l’aggiunta di nuovi utenti non comporta particolari problemi mentre, nelle reti cablate, per ogni nuova postazione c’è il bisogno di aggiungere quantomeno una presa e il cablaggio necessario per il collegamento alla rete.
DESIGN: tali comunicazioni rendono possibile il progetto di piccoli dispositivi portatili (ad esempio, sensori, cellulari o palmari), inoltre dei piccoli ricevitori/trasmettitori possono essere inseriti in ambienti come edifici storici, hotel o luoghi pubblici, senza l’obbligo di lavori invasivi, garantendo così lo sfruttamento delle potenzialità di una rete di telecomunciazioni.
ROBUSTEZZA: le comunicazioni senza fili possono “sopravvivere” anche a calamità naturali e non necessitano di nessuna presa da inserire. Nel caso di un terremoto, ad esempio, sarebbe possibile continuare a comunicare laddove una rete cablata, verosimilmente, potrebbe danneggiarsi irrimediabilmente.
COSTI: legati solo all’acquisto dei dispositivi e non più ai lavori per la posadel cablaggio, inoltre l’installazione di un Access Point rende disponibile l’accesso a molti utenti senza costi aggiuntivi per ogni nuova postazione. Si tratta di un grande risparmio, basti pensare ad una biblioteca in cui ad ogni posto dovesse corrispondere una presa e un cablaggio che per la maggior parte del tempo resterebbe inutilizzato, senza contare la manutenzione delle varie prese e cavi. Ovviamente le WLAN presentano anche alcuni svantaggi:
- QUALITA’ DEL SERVIZIO: la QoS delle reti WLAN è solitamente inferiore alle controparti cablate, questo è dovuto principalmente al mezzo utilizzato che limita la banda massima intorno ai 1-10 Mbit/s, questo è dovuto a sua volta all’alta probabilità d’errore dettata dalle interferenze (circa 10-4 contro il 10-12 della fibra ottica) e ai ritardi dovuti ai meccanismi di rilevamento e correzione di tali errori.
- RESTRIZIONI: ogni nazione pone restrizioni allo sfruttamento delle frequenze radio per minimizzare le interferenze, di conseguenza i dispositivi e le comunicazioni wireless devono adattarsi a queste norme.
- SICUREZZA: l’uso di onde radio può interferire con altri apparecchi tecnologici ponendo il problema, ad esempio, negli ospedali, della sicurezza della salute dei pazienti o anche delle persone portatrici di pace-maker. Inoltre, le trasmissioni devono essere sicure anche in materie di privacy e hacking, questi sistemi sono infatti “aperti” trasmettendo in broadcast e quindi chiunque può intercettare le comunicazioni. Quindi, una buona rete wireless deve offrire supporto automatico per crittografia e privacy.
- CONSUMO DI POTENZA: la maggior parte dei dispositivi senza fili è di ridotte dimensioni e non possiede un’alimentazione diretta, dovendo quindi usare delle batterie, il consumo di potenza diventa un aspetto molto importante. Si dovranno trovare delle soluzioni per limitare gli sprechi e gestire al meglio i consumi.

Figura 1: smart sensor

Figura 2: reti wireless.

WIRELESS SENSOR NETWORK

Le reti di sensori (figura 3) rappresentano la naturale, ma al contempo rivoluzionaria, evoluzione dell’impiego di sensori nell’ambito industriale.

Figura 3: Wireless Sensor Network.

Il mercato, infatti, richiede dispositivi ed impianti dotati sempre di maggiori capacità ed elevati livelli di funzionalità, i sensori utilizzati all’interno di questi dispositivi e sistemi vengono in genere impiegati per stimare una grandezza fisica o utilizzati per monitorare parametri di “controllo di processo”. L’utilizzo di una rete di trasduttori porta innegabili vantaggi rispetto all’utilizzo di sensori tradizionali in termini di flessibilità, performance, facilità d’installazione, costi d’eventuali sviluppi futuri ed attività di manutenzione. La necessità dell’implementazione di un’infrastruttura di rete al contempo richiede però l’utilizzo di sensori più evoluti che non sono più dei semplici trasduttori di grandezze fisiche, ma sistemi più complessi che integrano, oltre alle capacità di misura, anche capacità di memorizzazione, di calcolo ed ovviamente interfacce di comunicazione. Queste osservazioni portano alla definizione degli “smart sensor” (figura 1), dispositivi integrati che sono dotati di microcontrollori in grado di effettuare attività di comunicazione ed elaborazione dell’informazione. Le funzionalità di base di una rete di sensori dipendono tipicamente dal contesto delle applicazioni, ma alcuni requisiti sono tipici:

determinare il valore di un parametro in un certo Ad esempio, si ha bisogno di conoscere i valori di temperatura, pressione atmosferica, umidità;
determinare l’occorrenza di eventi di interesse, stimando i parametri relativi, Ad esempio, in una rete orientata al traffico stradale, si dovrebbe poter osservare il movimento di un veicolo, stimandone velocità, direzione;
classificare un oggetto Ad esempio, capire se il veicolo in questione è un’automobile, un pullman, un autobus;
tracciare un oggetto. Ad esempio, in campo militare, tracciare gli spostamenti del nemico all’interno dell’area geografica coperta.

Naturalmente, i dati raccolti devono essere trasmessi in un tempo relativamente rapido in modo che si possano intraprendere tempestivamente le azioni dovute. Fra i sensori passivi distinguiamo quelli che costituiscono un singolo elemento (usati per misure termometriche, sismiche, acustiche e di umidità) e quelli ottici e di misurazione biochimica. I sensori passivi tendono ad essere dispositivi a bassa energia. I sensori attivi tendono, invece, ad essere sistemi ad alta energia e includono radar e sonar. In generale, le reti wireless di sensori possono essere esposte ad ambienti ostili, con elevate temperature, alte vibrazioni o livelli di rumorosità. Possono essere incorporate in unità mobili e robot o in sistemi manifatturieri. I sensori sono pertanto piccoli, di basso costo e robusti. I nodi di sensori hanno diverse configurazioni: dai nodi connessi a una LAN e collegati permanentemente all’energia elettrica, a nodi che comunicano con tecnologia wireless alimentati da piccole batterie. Una rete di sensori deve consentire particolari funzionalità sui nodi: l’elaborazione del segnale digitale, la compressione dello stesso, la gestione degli errori, la codifica delle informazioni. È necessario, perciò, che i componenti hardware siano costruiti ad hoc. Gli Smart Dust (polveri intelligenti) sono costituiti da una serie di computer microscopici di un millimetro cubo (come un granello di sabbia) ed incorporano sensori, processori, radiotrasmettitori, software e un sistema di alimentazione. Gli elementi di base della costruzione della polvere intelligente sono i MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), cioè micro-computer che integrano insieme capacità di calcolo, parti meccaniche e sensori elettronici. I sensori come gli Smart Dust possiedono quattro sottosistemi hardware base:

Power: un’appropriata energia “di scorta” è necessaria per supportare le operazioni da poche ore, a mesi, ad anni, a seconda dell’applicazione.
Logica computazionale e memoria: per gestire la criptazione dei dati, gli errori con FEC, la modulazione digitale e la trasmissione. I microcontrollori variano da 8 bit fino a 64 bit, mentre i supporti di memoria arrivano fino a 100 GB.
Sensori trasduttori: i sensori in generale.
Comunicazione: le reti wireless devono avere la capacità di comunicare sia con C1WSN che con
I sensori tipicamente hanno cinque sottosistemi base:

Microcodice del Sistema Operativo, usato dalle applicazioni ad alto livello per supportare varie funzioni. (per esempio, TinyOS).
Driver dei sensori: sono i moduli software che gestiscono le funzioni base dei
Codice di comunicazione: questo codice gestisce le funzioni di comunicazione, incluso il routing, il forwarding dei pacchetti, la topologia della rete, il MAC, il
Drivers di comunicazione: gestiscono lo strato di radio link, la sincronizzazione e il clocking, l’encoding del segnale e la modulazione.

PROTOCOLLI MAC PER LE WSN

Le straordinarie potenzialità delle reti di sensori senza fili sono dovute non tanto ad elevate capacità elaborative locali dei singoli nodi, che sono invece relativamente modeste, quanto alla possibilità che hanno i nodi, nel loro complesso, di coordinarsi fra loro e quindi di auto-organizzarsi. Perché tale coordinamento sia possibile, è necessario che fra i nodi venga attivato un efficace sistema di comunicazione. D’altro canto, una rete wireless, per propria natura, è esente da un collegamento fisico del tipo punto-punto fra nodi contigui ed essi, essendo praticamente tutti connessi fra loro, sono costretti a condividere un unico canale. Tale vincolo impone l’implementazione di un opportuno protocollo di tipo MAC (Medium Access Control) che regoli l’accesso dei vari nodi alle informazioni di proprio interesse. Facendo riferimento al modello ISO-OSI il MAC rappresenta il sottolivello inferiore del livello Data Link e comunica col livello fisico assumendosi il compito di sintetizzare (in trasmissione) e di analizzare (in ricezione) pacchetti in cui siano stati inseriti, in testa e in coda, opportuni dati aggiuntivi relativi all’indirizzamento ed al controllo degli errori. La scelta di un metodo MAC è determinante per le prestazioni di una rete WSN. Ci sono molti metodi classici per risolvere il problema dell’accesso, classificabili in tre maggiori categorie: assegnazione fissa delle risorse del canale, assegnazione a richiesta delle risorse del canale, assegnazione random delle risorse del canale.

APPLICAZIONI

Dalle osservazioni raccolte fino a questo punto, si desume che la realizzazione di una rete di sensori wireless richiede l’utilizzo di tecniche di rete specifiche, anche se molti protocolli e algoritmi sono stati proposti in letteratura per realizzare reti wireless ad hoc, questi non sono completamente adattabili alle reti di sensori wireless, a causa delle specifiche necessità di questo tipo di rete. Si intende per rete ad hoc una infrastruttura di rete che non richiede un coordinatore centrale ed in cui ogni nodo rivesta il duplice ruolo di nodo e router. Per evidenziare ancor meglio questo punto riassumiamo alcune delle specifiche più stringenti del wireless sensors networking:

Il numero di “nodi sensore”, può essere di alcuni ordini di grandezza superiore rispetto ad una rete “ad hoc”.
I sensori vengono posizionati con densità spaziale molto elevate (decine o centinaia di sensori nello spazio di pochi metri).
I nodi possono avere malfunzionamenti, che non devono pregiudicare l’efficienza della rete.
La topologia di rete può variare nel tempo in modo molto frequente.
I sensori usano principalmente comunicazioni di tipo broadcast.
I sensori hanno stringenti limiti in termini di potenza.

A causa dell’elevata densità di posizionamento, i nodi possono essere molto vicini fra loro e ciò comporta un pregio visto che potremo realizzare algoritmi di rete multi hop per raggiungere il corretto destinatario dell’informazione, ma al contempo avremo dei problemi di mutua interferenza fra sensori distinti. Lo sviluppo di reti wireless dedicate al mondo dei sensori ha visto nell’ultimo periodo l’affermazione delle LR-WPAN Low rate Personal Area Network, queste reti, come si intuisce dal nome, sono caratterizzate da dimensioni contenute ed al contempo da bassi transfer rate, la definizione stessa di LR-WPAN risulta essere in netto contrasto con le metriche con cui generalmente siamo abituati a valutare una rete cioè QoS e data rate, entrambe queste caratteristiche risultano essere aspetti secondari in una rete di sensori poiché, come già detto, molte applicazioni richiedono semplicemente il trasferimento di pochi kbit/s, ciò porta a considerare come fattori di primaria importanza il contenimento dei costi ed i consumi (figura 2). Le reti di sensori possono essere implementate utilizzando una vasta tipologia di sensori come sensori sismici, magnetici, termici, infrarossi, acustici, radar, che sono in grado di monitorare una ampia classe di condizioni ambientali fra le quali possiamo ricordare: temperatura, umidità, movimento di veicoli ecc. Ciascun nodo sensore potrà, inoltre, essere utilizzato in diverse modalità, sarà possibile interrogare periodicamente un sensore per avere una informazione continua, utilizzarli solo per verificare il raggiungimento di una particolare condizione o modalità ibride in cui viene controllata periodicamente una grandezza, ma se questa supera una determinata soglia il sensore avverte direttamente il controllore (ad esempio, il controllo di processi e lavorazioni dell’industria chimica). Alcune delle principali applicazioni delle reti di sensori wireless possono essere classificate in cinque macro gruppi: applicazioni militari, applicazioni industriali, controllo ambientale, applicazioni mediche, home automation. L’utilizzo delle LR-WPAN nel settore industriale s’inserisce nella continua ricerca della diminuzione dei costi per implementare sistemi di controllo per i processi produttivi. Le prime applicazioni si hanno laddove non vengano richiesti elevati data rate, utilizzati in applicazioni non critiche, dove gli intervalli di campionamento non risultano essere un problema. Al contrario l’attenzione viene posta sui costi di implementazione e di manutenzione, ciò comporta la necessità di dispositivi che non richiedano manutenzione, dove per manutenzione intendiamo primariamente la necessità di sostituire e/o ricaricare le batterie. Altre tipiche applicazioni industriali possono essere la realizzazione di bridge wireless verso altre reti già esistenti come DeviceNet o FieldBus creando un’interfaccia che possa consentire il monitoraggio remoto e la modifica dei parametri di funzionamento di dispositivi connessi alle reti preesistenti impiegando PDA o altri sistemi.