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Capitolo 2.
Reti di sensori wireless
In questo capitolo saranno introdotte e brevemente analizzate le WSN, con lo scopo di valutarne le caratteristiche e individuare le tecnologie più idonee al soddisfacimento dei requisiti precedentemente esposti. Prima di entrare nel dettaglio della rete di sensori wireless è opportuno effettuare una classificazione delle reti di comunicazione (cablate o meno) a seconda della loro estensione (Figura 2.1): BAN: Body Area Network, reti limitate a pochi metri dal corpo dell’utente. Nascono per la gestione dei sensori e delle interfacce nell’intorno del corpo umano e a suo diretto contatto. Sono caratterizzate da bassissimi livelli di emissione di potenza e sono utilizzate soprattutto nel settore biomedicale, in quello militare ed in quello sportivo;
PAN: Personal Area Network, reti con una copertura di qualche decina di metri, sono caratterizzate da basse emissioni di potenza, fanno parte di questa categoria tecnologie come Bluetooth, Infrared Data Association e ZigBee;
LAN: Local Area Network, estensione intorno al chilometro. Nata inizialmente in ambito cablato (Ethernet, Token Ring) si è successivamente sviluppata anche in ambienti wireless (WLAN). In queste tipologie di reti assume spesso un importanza rilevante la banda fornita (streaming audio/video, connessioni Internet);
MAN: Metropolitan Area Network, si parla perlopiù di reti cablate con estensione di qualche chilometro, nate inizialmente per la TV via cavo e successivamente diffuse con l’insorgere di Internet (attualmente Gigabit Ethernet);
WAN: Wide Area Network, è la rete di trasporto che può connettere tra loro più reti locali e/o metropolitane. I protocolli di rete più utilizzati sono Frame Relay, ATM e SDH.
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Figura 2.1 Reti di comunicazione in base all'estensione geografica
Nella classificazione precedente, le reti di sensori wireless si vanno ad inserire all’interno delle PAN (Wireless PAN), sono caratterizzate da un raggio d’azione nell’ordine di decine o centinaia di metri e da prestazioni limitate in termini di banda e capacità di elaborazione. Si parla cioè di LR-WPAN, Low Rate - Wireless Personal Area Network.
2.1 Caratteristiche di una WSN
Con il termine Wireless Sensor Network s’intende una determinata tipologia di rete che è realizzata mediante un insieme di dispositivi, distribuiti e autonomi, in grado di scambiare dati con l’ambiente circostante e di comunicare tra loro adottando un particolare canale di comunicazione: quello wireless appunto. Una WSN può quindi essere definita come un insieme di nodi wireless interconnessi tra loro e caratterizzati da bassi consumi e prestazioni limitate in termini di data rate.
La rete può essere implementata utilizzando una vasta gamma di sensori per il monitoraggio di svariate grandezze come temperatura, umidità, pressione, corrente e tensione elettrica. Ciascun nodo sensore può essere utilizzato in diverse modalità: con controllo periodico di determinati parametri, con comunicazione in caso si verifichi una determinata condizione (es. rilevazione allarmi) oppure in modalità ibrida, cioè con controllo periodico di una grandezza ma con avvertimento in caso di superamento di una determinata soglia.
Oltre ai consumi contenuti e al basso data rate, le altre caratteristiche principali che contraddistinguono queste reti sono :
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Tolleranza a guasti: ovvero la capacità della rete di mantenere le proprie funzionalità in caso di malfunzionamento o perdita di nodi;
Scalabilità: il numero di nodi all’interno della rete è variabile da applicazione ad applicazione, ci si aspetta comunque di individuare anche centinaia di sensori disposti molto vicini tra loro. Si deve inoltre tener conto che il numero e la posizione dei sensori può variare nel tempo e potranno verificarsi situazione di alta densità di sensori concentrati in un luogo. Questo fatto, se da un lato crea un problema legato alle mutue interferenze, induce anche allo sviluppo di protocolli cooperativi che portano al miglioramento delle prestazioni ed al risparmio energetico;
Ambienti Operativi: i sensori possono essere utilizzati in ambienti che presentano condizioni avverse come per esempio temperatura, pressione, vibrazioni. Quindi, nelle applicazioni in cui è richiesto, i nodi devono essere progettati in modo da sopportare queste condizioni senza influire troppo sui costi o sulla tolleranza ai guasti.
2.2 Topologia della rete
Può essere fatta una distinzione tra topologia fisica, intesa come posizione reciproca dei vari dispositivi e topologia logica, intesa da un punto di vista funzionale. La topologia fisica della rete è quindi legata all’ubicazione dei vari dispositivi e dipende da applicazione ad applicazione. Questa può variare nel tempo nel caso di nodi in movimento o in caso di eventuali evoluzioni della rete (spostamento, aggiunta, riduzione dei nodi). Per quanto detto in precedenza è importante che ci sia una topologia funzionale (logica) che garantisca l’affidabilità della rete anche in corrispondenza di continui cambiamenti della topologia fisica della rete.
Si possono identificare tre diverse topologie logiche come mostrato in Figura 2.2: 1. Stella (Star): Il nodo centrale ha funzionalità di controllo, viene definito
coordinatore della rete o centro stella, la comunicazione tra due nodi generici della rete deve sempre passare da lui. Questa topologia risulta la più semplice da un punto di vista computazionale ed è particolarmente adatta ad architetture in cui è previsto un nodo centrale di raccolta dati, senza problemi di alimentazione, e più nodi secondari con risorse limitate;
2. Mesh: è una rete di tipo peer to peer viene assegnato ai vari dispositivi eguale importanza. Ogni nodo è in grado di comunicare con gli altri. Rispetto al modello a stella presenta un livello di ridondanza, e quindi di affidabilità, maggiore a scapito della complessità degli algoritmi di routing;
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3. Albero (Cluster tree): Ciascun cluster o “grappolo” è caratterizzato da un nodo principale, che comunica con gli altri cluster e da una serie di nodi secondari. Presenta come vantaggio la riduzione dei percorsi possibili riducendo la complessità degli algoritmi di instradamento.
Figura 2.2 Topologie di rete di una WSN
2.3 Architettura di una WSN
Per descrivere l’architettura di rete di una WSN, si può ricorrere al modello Open Systems Interconnection (OSI) come descritto nella Tabella 2.1. Si deve tenere in considerazione che in una WSN i layer si sovrappongono tra loro e la distinzione non è così netta. Questo è dovuto alla scelta progettuale effettuata in modo da soddisfare i requisiti di efficienza, risparmio energetico e leggerezza del protocollo. In particolare il livello MAC (Media Access Control), sottolivello del layer data link, e il livello Network si trovano spesso a lavorare in stretta collaborazione tra loro, violando il principio di separazione dei livelli.
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Tabella 2.1 Architettura di una WSN
Data Unit Layer Function
Data
Application Network process to application
Presentation Data representation, encryption and decryption Session Interhost communication
Segment Transport End-to-end connection and reliability, flow control Packet Network Path determination and logical addressing
Frame Data Link Physical addressing
Bit Physical Media, signal and binary transmission
2.4 Requisiti hardware
Come illustrato in Figura 2.3, i nodi sensori sono solitamente composti dai seguenti sottosistemi:
Sistema sensori: si posso inserire in questa categoria sia i trasduttori, che rappresentano il vero e proprio sensore, sia eventuali convertitori analogico-digitale necessari per interfacciare i segnali analogici derivanti dai sensori con il mondo digitale della trasmissione numerica;
Alimentazione: che può essere rappresentata da batterie o da alimentazione esterna. In alcuni casi si adottano tecniche di energy scavenging che permettono di raccogliere energia dall’ambiente circostante principalmente mediante l’utilizzo di celle fotovoltaiche;
Unità di calcolo: rappresenta il cuore del sistema ed è composta da un processore, generalmente a basso consumo energetico, che si occupa della gestione degli altri sottosistemi;
Memoria: tipicamente di tipo Flash;
Sistema di comunicazione: esistono diverse tipologie di comunicazione senza fili: sistemi ottici, induttivi, ad infrarossi, ad ultrasuoni e a radio frequenza. In questo progetto verrà presa in considerazione solamente la comunicazione radio poiché è la più diffusa, non necessita di collegamento in LOS5 e può coprire estensioni notevoli anche con bassi consumi energetici.
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LOS: line of sight, significa che dall’antenne trasmittente è possibile il rilievo visivo dell’antenna ricevente senza ostruzioni.
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Figura 2.3 Schema a blocchi di un sensor node
2.5 Mezzo trasmissivo
Come visto precedentemente il mezzo di comunicazione utilizzato è il canale a radio frequenza. Le bande utilizzate sono quelle ISM (Industrial, Scientific and Medical), libere da obblighi di concessione nella maggior parte degli stati. Le frequenze ISM sono regolamentate dagli standard ETSI EN 301 498-1, ETSI EN 300 328-1 V1.3.1 per l’Europa, FCC CFR 47 per Usa e Canada e ARIB STD-T66 per il Giappone, altri stati hanno delle normative locali che però consentono l’utilizzo di dispositivi che rispettino gli standard ETSI e/o FCC.
Analizzando la Tabella 2.2 la scelta del range di frequenza potrebbe sembrare ampia, in realtà se si vuole realizzare dispositivi dai costi e dalle dimensioni contenute (con ciò che implica nella costruzione delle antenne) la gamma a disposizione si restringe. Negli ultimi anni gli sviluppi si stanno concentrando sulla banda intorno a 2,4 GHz. le bande ISM sono slegate dall’utilizzo di un particolare standard di comunicazione, ciò nonostante, per limitare l’inquinamento elettromagnetico, sono stati imposti dei vincoli sulla potenza d’uscita (generalmente tra 0 e 20 dBm) che si traducono in una limitata copertura del segnale.
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Tabella 2.2 Bande ISM
Frequency range Bandwidth Center freq. Availability
6.765 MHz 6.795 MHz 30 KHz 6.780 MHz Subject to local acceptance 13.553 MHz 13.567 MHz 14 KHz 13.560 MHz
26.957 MHz 27.283 MHz 326 KHz 27.120 MHz 40.660 MHz 40.700 MHz 40 KHz 40.680 MHz
433.050 MHz 434.790 MHz 1.84 MHz 433.920 MHz ITU Region 1 only, subject to local acceptance 902.000 MHz 928.000 MHz 26 MHz 915.000 MHz ITU Region 2 only
2.400 GHz 2.500 GHz 100 MHz 2.450 GHz 5.725 GHz 5.875 GHz 150 MHz 5.800 GHz 24.000 GHz 24.250 GHz 250 MHz 24.125 GHz
61.000 GHz 61.500 GHz 500 MHz 61.250 GHz Subject to local acceptance 122.000 GHz 123.000 GHz 1 GHz 122.500 GHz Subject to local acceptance 244.000 GHz 246.000 GHz 2 GHz 245.000 GHz Subject to local acceptance
2.6 Applicazioni tipiche
Applicazioni tipiche delle WSN sono quelle legate al settore militare, al controllo ambientale, al Home and Building Automation, al campo biomedicale ed all’automazione industriale.
Applicazioni militari: i nodi sensori per la loro caratteristica di adattabilità in ambienti inospitali possono essere utilizzati nei campi di battaglia per la gestione del comando delle operazioni, per il monitoraggio dello spostamento delle truppe, per la localizzazione dei bersagli e per il riconoscimento di agenti chimici in caso di battaglie chimico-biologiche. Il basso costo dei nodi fa si che si possa ricorre ad un uso massiccio senza incorrere in gravi danni nell’ipotesi di distruzione da parte del nemico.
Controllo ambientale: la comunicazione senza fili e il basso consumo dei sensori li rende particolarmente adatti all’installazione in ambienti dove sarebbe impossibile prevedere una rete cablata e dove il raggiungimento dei nodi da parte dell’uomo è particolarmente dispendioso e difficoltoso, si pensi all’installazione all’interno di una foresta per la prevenzione degli incendi o su alcuni animali per le statistiche relative alla fauna protetta. Uno sviluppo molto recente è quello legato all’agricoltura di precisione, in questi casi i sensori vengono utilizzati per il monitoraggio di alcuni parametri fondamentali per le coltivazioni (temperatura del suolo, concentrazione di determinate sostanze, presenza di acqua nel terreno). Altre applicazioni sono per esempio il controllo dell’inquinamento e la ricerca meteorologica.
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Home and building automation: il basso costo dei sensori ed il raggio d’azione limitato fa si che queste reti trovino largo impiego nella domotica. Le applicazioni più comuni in questo settore sono il controllo di TV, console, frigoriferi, impianti di condizionamento e quant’altro. Le WSN sono largamente diffuse anche nell’automazione degli edifici, per la gestione di sistemi di antifurto, antincendio e regolazione delle temperature.
Applicazioni mediche: queste reti permettono il monitoraggio dei parametri fisiologici dei pazienti (temperatura, pressione, pulsazioni) in modo non invasivo e possono allertare i medici in caso di necessità. Possono anche essere utilizzati per il controllo della somministrazione dei medicinali all’interno degli ospedali.
Applicazioni industriali: in questo ambito hanno come principale scopo quello di implementare un sistema di controllo per i processi produttivi riducendo i costi di manutenzione degli impianti. Infatti i dispositivi di una WSN sono facilmente installabili, non richiedono una infrastruttura di comunicazione e hanno oneri bassissimi di manutenzione.
2.7 Scelta tecnologica
In questo paragrafo verranno brevemente analizzati i principali standard wireless utilizzati per la realizzazione di WSN, identificando quello più adatto al soddisfacimento dei requisiti richiesti dal progetto.
2.7.1 Lo standard IEEE 802.15.1 – Bluetooth
I primi studi su Bluetooth nascono nel 1994 da parte di Ericsson Mobile Communication e sono relativi alla ricerca di soluzioni a basso consumo, senza fili, per il collegamento di accessori per i dispositivi cellulari. Solo successivamente questa tecnologia viene integrata nello Standard 802.15.1. I dispositivi Bluetooth utilizzano la banda ISM a 2,4 GHz allocando 79 canali ciascuno di 1 MHz di ampiezza, viene utilizzata la tecnica FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) con modulazione del segnale GFSK (Gaussian shaped Freqiency Shift Keying). La tecnica di accesso al canale è di tipo TDMA, cioè a divisione di tempo. Ogni device bluetooth può funzionare in modalità master o slave, una serie di dispositivi slave (al massimo sette) che operano insieme e sono sincronizzati con uno stesso master, formano una cosiddetta Piconet. L’interconnessione di più Piconet prende il nome di Scatternet (Figura 2.4) e permette la comunicazione tra due nodi non direttamente connessi tra loro.
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Figura 2.4 Topologia di rete Scatternet
Nello standard sono previsti due tipi di collegamento:
1. SCO (Synchronus Connection Oriented link) che garantisce un bit rate costante e canali in trasmissione e ricezione simmetrici, particolarmente adatto per applicazioni real time;
2. ACL (Asynchronus ConnectionLess Link) che realizza un collegamento a commutazione di pacchetto tra il master e lo slave.
Bluetooth prevede inoltre tre livelli di sicurezza a seconda della modalità di funzionamento.
Il funzionamento in Modalità 1 viene definito non sicuro.
La Modalità 2 prevede che le strategie di sicurezza vengano attivate solamente dopo la creazione del canale di comunicazione.
Durante il funzionamento in Modalità 3 le strategie di sicurezza sono applicate fin dall’inizio.
Nonostante le ultime versioni (Bluetooth 4.0 Low Energy) che apportano miglioramenti in termini di sicurezza e di riduzione dei consumi, i dispositivi presentano comunque un hardware relativamente complicato e oneroso che porta a costi e consumi non troppo limitati.
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2.7.2 Lo standard IEEE 802.11 - WiFi
IEEE 802.11 definisce un insieme di standard per le Wireless LAN. Il simbolo WiFi identifica l’appartenenza di un dispositivo 802.11 alla Wi-Fi Alliance, organizzazione nata nel 1999 e formata da alcune tra le più importanti aziende impegnate nel settore delle comunicazioni wireless con l'obiettivo di sovrintendere all'adozione di uno standard unico a livello mondiale.
L’architettura è di tipo cellulare e le celle prendono il nome di BSS (Basic Service Set), l’interconnessione di più BSS mediante un DS (Distribution Sistem) è chiamata ESS (Extended Service Set). Gli elementi che costituiscono una WLAN, mostrati nella Figura 2.5, sono:
AP (Acces Point): determina un punto di accesso alla rete per i dispositivi, se di natura wireless si parla di Wireless AP (WAP);
DS (Distribution Sistem): permette l’interconnessione tra più BSS, anche questo elemento può essere cablato o meno, nel secondo caso viene definito Wireless DS (WDS);
Portal: funge da bridge tra la WLAN ed una generica rete LAN.
Le tecniche di criptaggio utilizzate sono basate su TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), sono di livello molto avanzato e servono a garantire i requisiti di sicurezza del protocollo WPA (Wifi Protected Access).
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Tabella 2.3 Evoluzione del IEEE 802.11
Analizzando l’evoluzione della IEEE 802.11 (Tabella 2.3) si deduce che lo standard è rivolto ad applicazioni che necessitano di una larghezza di banda sempre maggiore. WiFi nasce infatti con lo scopo principale di creare delle estensioni alle reti LAN in modo da connettere più dispositivi, spesso mobili, senza necessità di un collegamento cablato.
Per quanto detto anche i dispositivi WiFi non risultano la soluzione ottimale per la realizzazione di una WSN che soddisfi i requisiti enunciati nel Capitolo 1.
2.7.3 Lo standard IEEE 802.15.4
Lo standard IEEE 802.15.4 definisce i livello fisico e di accesso al canale per le reti LR-WPAN. Nasce dall’esigenza di ottenere comunicazioni wireless riducendo costi complessità e consumo energetico. Gli obiettivi principali sono:
basso costo; copertura limitata; basso consumo;
protocollo semplice, flessibile ma affidabile.
I protocolli di livello superiore più comuni basati su questa specifica sono elencati di seguito.
ZigBee : creata nel Dicembre 2004 dalla ZigBee Alliance, definisce i livelli superiori
dello stack del LR-WPAN. La specifica è studiata in modo che i dispositivi ZigBee siano di facile installazione, garantiscano un trasferimento dati affidabile, consentano operazioni a corto raggio con consumi limitati e utilizzino protocolli semplici e flessibili.
Wi-Fi Technology Frequency Band Maximum data rate
802.11 legacy 2.4 GHz 2 Mbps 802.11a 5 GHz 54 Mbps 802.11b 2.4 GHz 11 Mbps 802.11g 2.4 GHz 54 Mbps 802.11n 2.4 GHz, 5 GHz, 450 Mbps 2.4 or 5 GHz (selectable), or 2.4 and 5 GHz (concurrent)
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WirelessHART: è lo sviluppo senza fili della tecnologia HART Communication, rivolta
principalmente al mondo dell’automazione industriale.
MiWi: è un protocollo della Microchip Thechnology principalmente basato su di una
specifica ispirata alla IEEE 802.15.4 ma modificata per supportare la trasmissione proprietaria di Microchip. Lo scopo è quello di realizzare una alternativa easy-to-use per le comunicazioni wireless.
6LoWPAN: questa tecnologia si pone come obiettivo quello di utilizzare lo standard
IEEE 802.15.4 per costruire reti Internet senza fili di tipo embedded.
2.8 Valutazione delle tecnologie analizzate
Sono state volutamente tralasciate tutte le altre tecnologie wireless orientate a connessioni a larga banda (UMTS, WiMAX, UWB) poiché considerate non idonee per la realizzazione di una WSN.
Dall’analisi della Figura 2.6 e della Figura 2.7, che riassumono le caratteristiche di consumo, complessità, raggio di copertura e data rate dei protocolli in studio, si evince che la specifica IEEE 802.15.4 accoglie maggiormente quelle che sono le esigenze del progetto. Infatti i dispositivi basati su questa specifica, oltre a implementare protocolli meno complessi che implicano costi e consumi minori, possono coprire distanze più elevate andando a posizionarsi nella classificazione delle reti di comunicazione tra le WPAN e le WLAN
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Figura 2.7 Confronto tecnologico tra protocolli wireless: data rates - range
Tra le tecnologie di alto livello basate sullo standard IEEE 802.15.4 è stata individuata la specifica ZigBee. La scelta è ricaduta su questi dispositivi che oltre ad essere tra i più diffusi nel settore delle WSN, offrono anche i vantaggi di una soluzione standardizzata rispetto a molte altre specifiche proprietarie. La standardizzazione della tecnologia si traduce in una migliore l’interoperabilità tra prodotti, nell’utilizzo di piattaforme comuni e condivise tra i vari produttori i quali orientano le ricerche verso soluzioni più mirate rispetto alle esigenze del mercato.
