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Raccolta Efficiente dei Dati in Reti di Sensori per Monitoraggio in Ambito Urbano

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Academic year: 2021

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Introduzione

Negli ultimi anni le reti di sensori sono passati dall’essere esclusivamente uno dei settori di maggiore studio in ambito scientifico a strumenti tecnologici attraverso i quali realizzare applicazioni che possono essere commercializzati ed utilizzati sia a livello industriale che, in generale, per il miglioramento della qualità della vita quotidiana.

Una rete di sensori è costituita da un certo numero di nodi sensori che vengono disposti all’interno di un’area geografica da monitorare, a breve distanza gli uni dagli altri. Un nodo sensore è essenzialmente un dispositivo elettrico in grado di rilevare e misurare un fenomeno (per esempio temperatura, umidità), svolgere delle elaborazioni sui dati acquisiti e trasmettere in modo wireless i dati agli altri nodi, con i quali opera in modo cooperativo. Lo scopo è quello di rendere disponibili le informazioni necessarie presso un nodo di raccolta centrale (detto

base station) in cui avvengono la memorizzazione e le elaborazioni successive.

Uno dei principali limiti delle reti di sensori è il consumo energetico, visto che ogni nodo è equipaggiato da una batteria con durata limitata e che, in generale, non è possibile la sua sostituzione. Occorre quindi implementare delle opportune tecniche di power management per aumentare la durata della batteria e, di conseguenza, il tempo di vita del dispositivo. La principale fonte di consumo è rappresentato dalla trasmissione/ricezione e dallo stato di attesa attiva della radio, per cui una delle tecniche più diffuse per la riduzione dei consumi è il duty cycle della radio, cioè il nodo rimane con la radio spenta per più tempo possibile, accendendola solo periodicamente per la comunicazione. In molte applicazioni di monitoraggio ambientale quali, ad esempio, la rilevazione delle condizioni atmosferiche, del livello di inquinamento dell’aria o della temperatura, ed in tutti quei casi in cui la grandezza da misurare non richiede la presenza di tanti nodi sensore a breve distanza gli uni dagli altri, è conveniente utilizzare reti sparse. Una rete sparsa è una rete di sensori in cui i

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ii nodi si trovano molto distanti e, in generale, non sono in grado di comunicare tra loro o possono farlo ma spendendo grossi quantitativi di energia.

In questi casi, non essendo possibile o in ogni caso conveniente la comunicazione tra nodi vicini al fine di trasferire le informazioni verso la base station, occorre definire dei meccanismo che consenta la raccolta dei dati. Uno degli approcci possibili è quella di usare data mule, ossia nodi collettore mobili che si occupano di raccogliere i dati prodotti dai singoli nodi e di trasportarli presso la base station. Tali dispositivi, a differenza dei nodi sensore, non hanno né vincoli energetici né di memoria. Il compito del mule è quello di muoversi lungo un percorso, prelevare i dati dei nodi che incontra e trasferirli presso la base station. Un mule può essere portato da una persona o montato su di un autobus. Per far si che il trasferimento dei dati sia possibile, occorre che il nodo sensore riesca a capire l’istante in cui il mule si trova all’interno del suo raggio di comunicazione. Come detto in precedenza, il nodo opera in duty cycle allo scopo di consumare il meno possibile. Se il mule passasse presso il nodo quando questo è spento, il contatto si perderebbe e non sarebbe possibile effettuare nessun trasferimento dei dati. È quindi necessario che il nodo operi secondo un duty cycle adeguato a riconoscere il mule e a poter trasferire tutti i suoi dati.

In questo lavoro di tesi sono stati presi in esame tre aspetti essenziali: • Power management, ossia tecniche per il risparmio della batteria;

• Discovery, ossia i tempi impiegati dal nodo sensore per riconoscere il mule;

• Trasferimento dei dati, ossia il quantitativo di dati che il nodo sensore riesce a trasferire al mule.

Si sono esaminati i legami che ci sono tra di essi ed in che modo ognuno di questi aspetti influenza gli altri. Per far ciò è stato realizzato un simulatore e sono stati effettuati dei test prendendo in esame vari scenari. Si è così potuto osservare come per ottenere migliori prestazioni in termini di quantitativo di dati trasferiti è necessario che il discovery del mule sia tempestivo, il che richiede l’uso di duty cycle alti e va quindi in contrasto con le politiche di risparmio energetico. D’altra parte per ottenere il minor consumo possibile è necessario utilizzare duty cycle bassi, che fanno allungare i tempi di discovery e, di conseguenza, comportano il trasferimento di un numero esiguo di dati. Bisogna

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iii quindi attuare dei trade off che privilegiano l’uno o l’altro aspetto a secondo delle esigenze specifiche di comunicazione.

La tesi è organizzata nel seguente modo:

• Capitolo 1: descrive lo stato dell’arte sulle reti di sensori.

• Capitolo 2: si concentra sulle reti di sensori basate sull’uso di data mule per la raccolta dei dati. In particolare vengono definiti un protocollo per il discovery del mule e per la comunicazione fra mule e sensori.

• Capitolo 3: passa in rassegna gli strumenti adoperati per la realizzazione del simulatore e per il testing.

• Capitolo 4: descrive la struttura del simulatore con particolare riferimento alle tecniche di implementazione di discovery e di trasferimento dei dati fra sensori e mule.

• Capitolo 5: vengono presentati i risultati delle simulazioni.

• Capitolo 6: viene riassunto brevemente il lavoro svolto e ne vengono tratte le conclusioni.

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