II
Sommario
Introduzione ... I Indice delle figure ... VI Indice delle tabelle ... VIII
Capitolo 1. Requisiti del sistema ...1
1.1 Le telecomunicazioni nel mondo ferroviario ...1
1.2 Verso le reti di sensori wireless ...2
1.3 Requisiti del progetto ...2
1.3.1 Affidabilità e robustezza ...2
1.3.2 Autoconfigurazione ...3
1.3.3 Sicurezza e segretezza ...3
1.3.4 Consumo energetico ...4
1.3.5 Mobilità e scalabilità ...4
1.3.6 Adattabilità e semplicità ...4
1.3.7 Non intrusività ...5
1.3.8 Versatilità ...5
Capitolo 2. Reti di sensori wireless ...7
2.1 Caratteristiche di una WSN ...8
2.2 Topologia della rete ...9
2.3 Architettura di una WSN ... 10
2.4 Requisiti hardware ... 11
2.5 Mezzo trasmissivo ... 12
2.6 Applicazioni tipiche ... 13
2.7 Scelta tecnologica ... 14
2.7.1 Lo standard IEEE 802.15.1 – Bluetooth ... 14
2.7.2 Lo standard IEEE 802.11 - WiFi ... 16
2.7.3 Lo standard IEEE 802.15.4 ... 17
2.8 Valutazione delle tecnologie analizzate ... 18
Capitolo 3. Lo standard IEEE 802.15.4 ... 21
3.1 Introduzione allo standard 802.15.4 ... 21
III
3.2 Caratteristiche ... 21
3.3 Elementi della rete ... 22
3.4 Topologia di rete ... 22
3.5 Architettura ... 24
3.6 Funzioni ... 25
3.6.1 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) ... 25
3.6.2 Accesso multiplo con meccanismo ALOHA ... 25
3.6.3 Struttura del super frame ... 26
3.6.4 Modello di trasferimento dati ... 27
3.6.5 Struttura del frame ... 28
3.6.6 Sicurezza ... 30
3.7 Livello fisico (PHY) ... 31
3.8 Livello di accesso al canale (MAC) ... 33
Capitolo 4. La specifica ZigBee ... 35
4.1 Introduzione a ZigBee e caratteristiche generali ... 35
4.2 Livello Rete (NWK) ... 36
4.3 Livello applicativo (APL) ... 37
4.4 ZigBee e Sicurezza ... 38
Capitolo 5. Specifiche ferroviarie ed esempi applicativi ... 41
5.1 Gli impianti di sicurezza e segnalamento ferroviario ... 41
5.2 Specifiche tecniche per impianti di sicurezza e segnalamento ... 43
5.2.1 Specifica tecnica prove di tipo e di accettazione ... 43
5.2.2 Specifica Tecnica di fornitura, Interfacce per Diagnostica IS ... 46
5.3 Casi di studio ... 47
5.4 Le specifiche di costruzione degli impianti di riscaldamento elettrico scambi. ... 48
5.4.1 Impianti di snevamento a resistori corazzati ... 49
5.4.2 Impianti di snevamento con cavi autoregolanti ... 49
Capitolo 6. Identificazione dei dispositivi ZigBee ... 55
6.1 Identificazione della tipologia del dispositivo ... 55
6.2 Specifiche dei prodotti ZB-2000 series ... 56
6.2.1 Moduli ZB Convertitori ... 59
6.2.2 Moduli ZB Ripetitori ... 62
IV
6.2.3 Modulo ZB Sniffer ... 65
6.2.4 Moduli ZB Input Output ... 66
6.3 Cenni sul protocollo di comunicazione Modbus ... 67
6.3.1 Modbus ASCII e Modbus RTU ... 68
6.3.2 Modbus TCP ... 69
6.4 Cenni sui sistemi HMI/SCADA ... 70
Capitolo 7. Progetto della rete di sensori ... 73
7.1 Scenario ... 73
7.2 Architettura del sistema ... 75
7.2.1 Stato dell’arte ... 76
7.2.2 Ipotesi di implementazione del posto periferico ... 76
7.2.3 Ipotesi di implementazione del posto centrale di GA ... 80
7.2.4 Ipotesi di implementazione del posto di telecomando RED ... 84
7.3 Ipotesi di posizionamento degli elementi della rete ... 87
7.4 Elementi della rete ... 91
7.4.1 Trasformatori amperometrici ... 92
7.4.2 Alimentatori 24Vac/24Vdc ... 93
7.4.3 Alimentatori 220Vac/24Vdc ... 93
7.4.4 Nodi ZigBee Analog Input ZB-2018-T... 94
7.4.5 Nodi ZigBee Digital I/O ZB-2060-T ... 97
7.4.6 Nodi ZigBee Host ZB-2570-T ... 98
7.4.7 Nodi ZigBee Repeater ZB-2510-T ... 101
7.5 Posto centrale di GA e posto di telecomando del sistema RED ... 102
7.5.1 Individuazione del Software HMI/SCADA ... 102
7.5.2 Individuazione dell’Hardware ... 105
7.6 Valutazione di massima dei costi ... 105
Capitolo 8. Valutazione del progetto ... 109
8.1 Soddisfacimento dei requisiti ... 109
8.1.1 Certificazioni e prove di funzionamento per i dispositivi ZigBee ... 110
8.2 Valutazione delle criticità ... 114
8.2.1 Coesistenza con altri sistemi Wireless ... 115
8.3 Possibili sviluppi ... 119
V
Conclusioni ... 123
Allegati ... 125
Allegato 1 – Dispositivi ZB-2000 series ICP DAS ... 125
Allegato 2 – Converter ZB-2570/2571 specification and appearance ... 126
Allegato 3 – Repeater ZB-2510 specification and appearance ... 127
Allegato 4 – Sniffer ZB-2500 specification and appearance ... 128
Allegato 5 – Module Analog Input ZB-2018-T specification and appearance ... 129
Allegato 6 – Module Digital IO ZB-2060-T specification and appearance ... 130
Allegato 7 – Specifiche trasformatori amperometrici FRER MAC017 ... 131
Allegato 8 – PowerStream Robust 24VAC to 24VDC Power Supply specification... 132
Allegato 9 – CB-DIN-540A Power Supply specification ... 133
Ringraziamenti ... 135
Bibliografia ... 137
VI
Indice delle figure
Figura 2.1 Reti di comunicazione in base all'estensione geografica ...8
Figura 2.2 Topologie di rete di una WSN ... 10
Figura 2.3 Schema a blocchi di un sensor node ... 12
Figura 2.4 Topologia di rete Scatternet ... 15
Figura 2.5 Architettura di rete WiFi ... 16
Figura 2.6 Confronto tecnologico tra protocolli wireless: data rates - complessità/consumo .. 18
Figura 2.7 Confronto tecnologico tra protocolli wireless: data rates - range... 19
Figura 3.1 LR-WPAN topologia a stella ... 23
Figura 3.2 LR-WPAN Topologia peer to peer ... 23
Figura 3.3 LR-WPAN Topologia Cluster Tree ... 24
Figura 3.4 Architettura dispositivi LR-WPAN ... 24
Figura 3.5 Contention Access Period ... 26
Figura 3.6 Trasferimento dati verso il coordinatore con beacon abilitati (a) e disabilitati (b) . 27 Figura 3.7 Trasferimento dati dal coordinatore con beacon abilitati (a) e disabilitati (b) ... 28
Figura 3.8 Beacon frame ... 29
Figura 3.9 Data frame ... 29
Figura 3.10 Acknowledgment Frame ... 30
Figura 3.11 MAC Command frame ... 30
Figura 4.1 Architettura dello stack ZigBee ... 35
Figura 5.1 Infrastruttura attrezzata con impianto RED (A), intervento del personale di manutenzione per scambi non attrezzati (B) ... 48
Figura 5.2 Schema di principio impianto riscaldamento scambi ... 51
Figura 6.1 Possibile scenario rete ZigBee ... 58
Figura 6.2 Modalità broadcast ... 63
Figura 6.3 Modalità user-defined (typical) ... 63
Figura 6.4 Modalità user-defined (with backup) ... 64
Figura 6.5 Schermata tipo di alcuni campi del tool ZigBee Sniffer ... 66
Figura 6.6 Creazione del frame Modbus TCP ... 69
Figura 6.7 Architettura SCADA... 71
Figura 7.1 Piano schematico del nodo ferroviario di Pisa ... 74
VII
Figura 7.2 Dettaglio dell'area attrezzata con dispositivi RED ... 75
Figura 7.3 Schema a blocchi della cassetta di piazzale attrezzata con nodi ZigBee ... 79
Figura 7.4 Architettura Posto Centrale di GA... 82
Figura 7.5 Dettaglio del sistema di interblocco ... 84
Figura 7.6 Architettura generale del sistema completo ... 86
Figura 7.7 Predisposizione per stazione tipo di piccole dimensioni ... 88
Figura 7.8 Planimetria con misure principali (A), Planimetria con ubicazione dei trasformatori (B) ... 89
Figura 7.9 Planimetria con disposizione completa dei nodi ... 90
Figura 7.10 Capacità di auto-riconfigurazione della rete ... 91
Figura 7.11 Schema di collegamento Trasformatore Amperometrico ... 93
Figura 7.12 Switch di configurazione del dispositivo ZB-2018T ... 95
Figura 7.13 Pacchetto informativo protocollo Modbus RTU ... 95
Figura 7.14 Switch di configurazione del dispositivo ZB-2060 ... 97
Figura 7.15 Modo di comunicazione Serial ZBIO (A) ed Ethernet ZBIO (B) ... 99
Figura 7.16 ZigBee Configuration Utility ... 100
Figura 7.17 Ipotesi pagina principale della postazione manutentore ... 104
Figura 8.1 Interfaccia dello ZigBee Sniffer Utility ... 114
Figura 8.2 BER per le varie tecnologie ... 117
Figura 8.3 PER per IEEE 802.15.4 in relazione alla distanza col nodo interferente IEEE 802.11b ... 119
VIII
Indice delle tabelle
Tabella 2.1 Architettura di una WSN ... 11
Tabella 2.2 Bande ISM ... 13
Tabella 2.3 Evoluzione del IEEE 802.11 ... 17
Tabella 3.1 Principali bande di frequenza utilizzate nella specifica IEEE 802.15.4 ... 32
Tabella 4.1 Formato del NWK frame ... 37
Tabella 5.1 Definizione condizioni ambientali IS402 ... 45
Tabella 6.1 Confronto tra tipologie di moduli ZigBee ... 56
Tabella 6.2 Confronto tra moduli ZigBee completi ... 57
Tabella 6.3 Versioni dei dispositivi ZB-2000 series ... 59
Tabella 6.4 Modi operativi di trasmissione ... 61
Tabella 6.5 Formato del protocollo DCON ... 67
Tabella 6.6 Confronto Modbus Ascii - Modbus RTU ... 68
Tabella 6.7 Frame Modbus ASCII e Modbus RTU ... 68
Tabella 7.1 Function code per moduli ingressi analogici ... 96
Tabella 7.2 Sottofunzioni di configurazione dei moduli Analog Input ... 96
Tabella 7.3 Function Code per moduli DI/O ... 97
Tabella 7.4 Sottofunzioni di configurazione dei moduli DI/O ... 98
Tabella 7.5 Configurazione del dispositivo ZB-2570 ... 101
Tabella 7.6 Configurazione del dispositivo ZB-2510 ... 102
Tabella 7.7 Costi del PP e del PC... 106
Tabella 7.8 Costo della WSN ... 106
