Capitolo 1 - Introduzione
Le reti di sensori, o Wireless Sensor Networks (WSNs), sono reti costituite da centinaia di piccoli dispositivi elettronici (noti in letteratura col nome di “nodi sensore” o più semplicemente “nodi”) con scarse capacità energetiche, di calcolo e di comunicazione. Ciascuno nodo è alimentato a batteria ed è dotato di un microcontrollore, di un ricetrasmettitore radio e di uno o più sensori per rilevare le grandezze fisiche di interesse. I nodi comunicano fra loro per scambiare le informazioni sull'ambiente rilevate tramite i propri sensori e per convogliare quest'ultime verso il sink, un dispositivo dotato di maggiori capacità computazionali ed energetiche in grado di memorizzare ed eventualmente elaborare i dati provenienti dai nodi sensore. Il sink ha anche il compito di fornire all’utilizzatore del sistema queste informazioni, indipendentemente dal fatto che siano state ulteriormente elaborate o meno.
Negli ultimi anni la ricerca si è sempre più interessata alle reti di sensori in virtù della loro potenziale gamma di applicazioni. Purtroppo però tali applicazioni sono ancora poco diffuse per due motivi. Il primo è il costo di un singolo nodo, che è a tutt’oggi troppo alto per rendere le WSN economicamente vantaggiose rispetto alle soluzioni alternative. Mediamente il prezzo di un singolo nodo si aggira sui 100 USD quando, per esser convenienti, dovrebbero costare attorno ad 1 USD tenendo a mente che, a seconda dell'applicazione e dell'area da monitorare, una WSN potrebbe esser costituita anche da 7.000 - 8.000 nodi sensore. Il secondo motivo è la scarsa capacità energetica dei nodi e quindi lo scarso tempo di vita della WSN stessa. Questo è dovuto al fatto che i nodi devono esser fisicamente piccoli e devono costare il meno possibile, il ché implica che debbano esser alimentati tramite batterie AA, a bottone o simili. Oggi un nodo sensore termina l'energia a disposizione mediamente dopo poco più di un anno di attività mentre sarebbe necessario che rimanesse attivo per un tempo assai maggiore per rendere le WSN economicamente vantaggiose.
C'è però un aspetto peculiare delle reti di sensori che ci può aiutare: nella maggioranza dei casi è possibile soddisfare gli obiettivi delle applicazioni per cui sono state progettate le WSN lavorando a livello di rete nel suo complesso più che a livello di singolo nodo sensore. Questo suggerisce l'uso di tecniche per la minimizzazione dei costi globali di rete rispetto a quelle che si focalizzano sui singoli nodi, tecniche che sono particolarmente ardue da implementare a causa della notevole dinamicità dello stato dei nodi.
Il lavoro sviluppato durante questa tesi si propone di porre rimedio al problema energetico delle WSN sfruttando questo loro particolare aspetto per agire sulle risorse radio. La maggior parte del consumo energetico di un nodo sensore è infatti dovuta proprio a questa componente dei nodi sensore. Un uso efficiente di questa risorsa è quindi indispensabile per aumentare il tempo di vita dell’intera rete di sensori, a prescindere dalla particolare applicazione. Abbiamo quindi progettato una strategia greedy di ottimizzazione del costo locale dei singoli nodi basata sulle condizioni attuali del traffico nella rete.
Abbiamo verificato la validità di questa strategia implementandola sopra il B-MAC, un MAC protocol per reti di sensori divenuto famoso nell’ambito delle WSN per la sua semplicità e la sua efficacia. Questo protocollo fornisce alcune interfacce che permettono di impostare i parametri per il Low Power Listening anche pacchetto per pacchetto. Gli stessi creatori del B-MAC consigliano di implementare sopra esso un meccanismo che a ciascun nodo di impostare dinamicamente e autonomamente il check interval. Nella terminologia utilizzata dagli autori del B-MAC, il check interval di un nodo, chiamato anche listening mode del nodo, è il periodo di tempo passato il quale il nodo sensore campiona nuovamente l’etere al fine di rilevare eventuali comunicazioni in corso. Se il nodo rileva una comunicazione rimane in ascolto altrimenti torna in stato di sleep per un altro check interval e così via. Ad ogni listening mode corrisponde un transmit mode, vale a dire che ad ogni check interval corrisponde una lunghezza del preambolo di un pacchetto necessaria a far sì che un nodo ricevente che segue quel LM sia sicuramente
sveglio (a meno di guasti o interferenze) quando il nodo mittente inizia a spedire il pacchetto contentente le informazioni vere e proprie da trasmettere. Lo strato software realizzato, che abbiamo chiamato BMACAdapter in virtù delle sue caratteristiche, deve quindi regolare dinamicamente e autonomamente, in base alle condizioni del traffico sulla rete, il check interval di ciascun nodo. Al tempo stesso deve anche regolare automaticamente la lunghezza del preambolo di un pacchetto in modo tale che il ricevente (o i riceventi se il pacchetto è in broadcast) siano sicuramente in ascolto quando il mittente inizia a spedire il pacchetto vero e proprio.
Affinché il BMACAdapter possa espletare efficacemente i propri compiti, è necessario che ciascun nodo scambi con i propri vicini delel informazioni sul proprio stato. Per minimizzare l'overhead di comunicazione, i nodi vicini si scambiano queste informazioni stato allegandole in piggyback ai messaggi scambiati, compresi eventualmente anche quelli scambiati periodicamente per il routing. Questo meccanismo è particolarmente adatto alle reti di sensori in quanto l'ottimizzazione locale delle risorse dei singoli nodi porta ad un'effettiva ottimizzazione a livello di rete nel suo complesso pur continuando a rispondere correttamente ai requisiti dell'applicazione.
Il BMACAdapter minimizza il consumo energetico e al tempo stesso garantisce una latenza contenuta, un throughput adeguato e una buona affidabilità nella consegna dei pacchetti.
Il BMACAdapter è stato implementato come modulo di TinyOS, il framework per la creazione di applicazioni per WSN della UCB di Berkely.
Il resto del presente lavoro è articolato come segue:
• Capitolo 2 – Generalità sulle reti di sensori: questo capitolo presenta una panoramica sulle reti di sensori, sulle loro applicazioni e sui problemi da affrontare durante la progettazione di sistemi che prevedono l’impiego di una WSN.
• Capitolo 3 – B-MAC: questo capitolo descrive in dettaglio il funzionamento del protocollo B-MAC secondo quanto descritto dagli autori stessi del protocollo.
• Capitolo 4 – BMACAdapter: questo capitolo descrive compiutamente le scelte di progettazione ed i meccanismi che regolano il modulo software che costituisce questo lavoro di tesi.
• Capitolo 5 – Test del BMACAdapter: in questo capitolo sono presentati i primi test, con i relativi risultati, effettuati per verificare l’efficacia del BMACAdapter.
• Capitolo 6 – Sviluppi futuri: in questo capitolo parliamo dei molti possibili sviluppi di questo lavoro che di per sé costituisce solo la base del BMACAdapter.
• Capitolo 7 – Conclusioni: in questo capitolo viene riassunto brevemente il lavoro svolto e ne vengono tratte le conclusioni.
• Appendice A – Modello analitico per i tempo di vita di una WSN: l’appendice descrive il modello analitico per il calcolo del tempo di vita di una rete di sensori.
• Appendice B – Piattaforma Mica2: in questa appendice vengono presentate brevemente le caratteristiche dei nodi sensore Mica2 e del CC1000, il chip radio montato su di esse.
• Appendice C – TinyOS e nesC: questa appendice descrive a grandi linee l’ambiente TinyOS per lo sviluppo di software per reti di sensori ed i costrutti del nesC, il linguaggio con cui è implementato lo stesso TinyOS.
• Appendice D – TOSSIM, TinyViz e Tython: in questo capitolo vengono presentati gli strumenti software utilizzati per la simulazione ed i test del BMACAdapter
