Reti di sensori wireless
Le reti di sensori rappresentano la naturale, ma al contempo rivoluzionaria, evoluzione
dell’impiego di sensori nell’ambito industriale. 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”, dispositivi integrati che sono dotati di microcontrollori in grado di effettuare attività
di comunicazione ed elaborazione dell’informazione. All’interno di questo contesto cercheremo di
individuare quali siano i vantaggi di una rete senza fili e quali risultino essere gli obiettivi di una
rete “ideale” di sensori che queste tecnologie possono raggiungere. All’interno di questo capitolo
inoltre verrà delineata una panoramica delle tecnologie ad oggi disponibili analizzandone pregi e
difetti in relazione agli obiettivi prefissati nella prima parte.
Problematiche
Smart Sensors Networks
Il mercato dei sensori è estremamente variegato, questo a causa dell’elevato numero di
dispositivi prodotti ed al loro uso in ogni ambito dell’attività industriale.
Le aziende produttrici sono alla continua ricerca di nuove tecnologie per realizzare dispositivi
caratterizzati da costi contenuti che al contempo siano precisi, affidabili e rispondano alla continua
e crescente domanda di nuove funzionalità per applicazioni sempre più sofisticate. Le scelte
progettuali in merito al tipo di trasduttore, rete e applicazioni software possono essere fatte in prima
approssimazione in modo disgiunto l’una dall’altra, ma in realtà l’integrazione di questi “moduli
funzionali” all’interno di un unico progetto non è cosa banale, a causa della mancanza di un set di
interfacce comuni. Una tipica rete di sensori può essere costituita da un numero elevato di nodi
collegati fra loro mediante cavi multipli. Ogni nodo è dotato di un microprocessore, ed uno o più
sensori collegati mediante interfacce proprietarie.
In particolare lo standard IEEE 1451 Standard for Smart Transducer Interface for Sensor and
Actuators[2], cerca di stabilire una serie d’interfacce comuni per connettere fra loro sensori con
dispositivi a microprocessore, oltre a definire il prototipo di uno smart sensor indipendentemente
dalla rete all’interno del quale questo sarà inserito.
In primo luogo dovremo cercare di dare una definizione esauriente di “smart sensor”, in letteratura
possiamo trovarne diverse[3], ma probabilmente la più esauriente è quella proposta dallo standard
IEEE 1451.2:
“Un trasduttore che integra le funzioni necessarie alla corretta rappresentazione della
grandezza misurata o controllata. Queste funzionalità tipicamente sono in grado di
semplificare l’integrazione del trasduttore in applicazioni che utilizzino strutture di rete”.
Lo standard utilizza il termine “transducer” per indicare contemporaneamente sensori ed attuatori,
ai fini della nostra ricerca quindi parleremo di attuatori senza scendere nel dettaglio del dispositivo
fisico realmente utilizzato, e considereremo “smart sensor”, la versione sensoristica di un generico
“smart transducer”.
L’utilizzo di smart sensor richiede che il dispositivo non sia semplicemente in grado di rispondere
correttamente a delle richieste di informazione o di comunicare in formato digitale, ma deve dare
valore aggiunto all’informazione stessa integrando diverse funzionalità aggiuntive. In Figura 2:
viene riportato il modello generale di smart sensor, utile per descrivere le diverse famiglie dello
standard IEEE 1451; si vedrà in seguito come siano stati costituiti gruppi di ricerca specifici per
ciascuno dei blocchi funzionali proposti dal modello. Prima di scendere nel dettaglio si dovrà però
precisare che questo modello non vuole essere esaustivo o vincolante per la definizione di smart
sensor, poiché è possibile considerare “smart” anche dispositivi che non implementano tutte le
funzionalità descritte dal modello, così come sistemi caratterizzati da migliori e maggiori
funzionalità. Il modello mostra un completo insieme di funzionalità che possono essere individuate
all’interno di uno smart transducer, quali il blocco che consente la misura analogica di una
grandezza fisica, il condizionamento del segnale, la conversione analogica digitale, l’unità di
elaborazione ed infine le interfacce di comunicazione. Come detto in precedenza il modello vuole
essere quanto più possibile generale, quindi nulla vieta di avere sensori intrinsecamente digitali che
non richiedono moduli di conversione A/D o particolari circuiti di condizionamento del segnale,
basti considerare come esempio un semplice sensore di finecorsa implementato mediante uno
switch.
Figura 1: Modello generale smart Sensor IEEE 1451
Il blocco “data storage” può essere utilizzato per memorizzare parametri di funzionamento,
informazioni di identificazione del dispositivo o dati provenienti da altri dispositivi.
Di particolare interesse risulta essere la possibilità di memorizzare informazioni che consentano
l’identificazione del dispositivo: lo standard IEEE 1451.2[2] prevede infatti un set di informazioni
che consentano l’autoidentificazione di ciascun dispositivo mediante il Transducer Electronic Data
Sheet (TEDS).
Le informazioni che il TEDS prevede sono fra le altre[4]:
•
Identificazione
(Model number, Manufactoring ID, ecc..)
•
Dispositivo
(Tipo di sensore, sensibilità, unità di misura)
•
Calibrazione
(Data dell’ultima calibrazione, fattori di correzione)
•
Applicazione
(Canale utilizzato, coordinate della misura)
Trascurando per il momento le restrizioni in termini di dimensioni o package per applicazioni in
ambienti inospitali come nel caso di applicazioni caratterizzate da alte temperature d’esercizio o
presenza di agenti chimici corrosivi, il TEDS può essere sostanzialmente inserito in ogni dispositivo
e rappresenta il primo step d’evoluzione verso la definizione di un sensore intelligente.
Il modulo “Application algorithms”, includerà degli algoritmi specifici per l’applicazione in
oggetto, ma al contempo prevede delle routine che consentano fra l’altro attività di auto diagnosi,
per determinare lo stato di funzionamento del dispositivo, così come algoritmi che identifichino le
misure nel tempo (mediante un time stamp interno, o in riferimento ad un segnale di
sincronizzazione esterno), consentano la localizzazione nello spazio (implementando sistemi di
rilevamento della posizione GPS o mediante una locazione predefinita dall’utente e memorizzata
all’interno del dispositivo).
Possiamo osservare come l’impiego di questo tipo di dispositivi consenta l’avvicinamento
dell’elaborazione dell’informazione di misura al fenomeno misurato, ciò permette di implementare
paradigmi di controllo più efficaci rispetto ad un unico controllore centralizzato che deve processare
le informazioni derivanti da tutti i sensori del processo, in questo modo saremo in grado per
esempio di prendere decisioni direttamente in corrispondenza di un determinato evento o possiamo
evitare di sovraccaricare il controllo centralizzato con informazioni ridondanti e/o inutili.
Tutti i discorsi fin qui fatti ovviamente non prescindono dal tipo di sensore utilizzato, quindi
affinché siano rispettate le specifiche di progetto risulterà essere sempre di fondamentale
importanza la corretta scelta di un trasduttore che consenta di stimare la grandezza fisica di
interesse con la risoluzione e la precisione richiesta dall’applicazione.
Lo standard IEEE 1451 prevede un modulo di comunicazione che consente di semplificare la
complessità del collegamento dei dispositivi, descrivendo architettura del bus di comunicazione, i
protocolli di indirizzamento, la cablatura, calibrazione e correzione degli errori, consentendo quindi
di considerare ciascun dispositivo smart come un blocco funzionale per l’implementazione di un
sistema plug and play.
All’interno di un’architettura plug and play, sensori ed attuatori sono interconnessi attraverso una
serie di interfacce comuni verso moduli progettati non solo per elaborare l’informazione, ma anche
per interfacciare l’informazione verso reti di telecomunicazione preesistenti. Questo approccio
consente di eliminare componenti più costosi e caratterizzati da funzionalità più evolute come
computer e strumentazione, consentendo un notevole vantaggio economico. L’evoluzione nel
campo dei microprocessori, microcontrollori, così come per gli ADCs (Analog to Digital
Converters) e l’elettronica necessaria al loro corretto funzionamento associata alla progressiva
riduzione dei costi, consente di creare dispositivi integrati dotati di tutti i moduli funzionali
necessari alla realizzazione di uno smart transducer contenendo i costi nell’ordine del dollaro per
elevati volumi produttivi. I vantaggi
derivanti dall’introduzione di maggiori funzionalità in
corrispondenza dei trasduttori, oltre che economici sono anche riscontrabili in termini di flessibilità
e time to market, cioè i tempi necessari allo sviluppo di nuovi sistemi possono essere notevolmente
ridotti, consentendo di raggiungere il mercato più velocemente.
Lo standard proposto per l’interconnessione di trasduttori ed attuatori verso i microcontrollori e per
connettere quest’ultimi in rete può essere visto come una evoluzione del General Purpose Interface
Bus (GPIB, IEEE 1458), in cui viene standardizzata l’interfaccia di comunicazione per i sensori e
non per la strumentazione. In Figura 2: vengono schematizzati i blocchi funzionali che costituiscono
l’implementazione dell’interfaccia degli smart sensor proposta secondo lo standard IEEE 1451 ed
inoltre vengono indicate le diverse famiglie all’interno dello standard che descrivono in dettaglio i
moduli funzionali.
L’IEEE 1451.1[5] definisce il Network Capable Application Processor (NCAP), vale a dire la
finestra attraverso la quale i dispositivi smart sensor possono comunicare con la struttura di rete
esterna, il processore di rete NCAP è dotato di uno stack compatibile con la rete di comunicazione
esterna. In questo approccio progettuale costituito da moduli funzionali, ogni blocco viene
sviluppato da esperti nel settore, quindi nel caso dell’ NCAP un progettista si troverà a scegliere
solamente il modulo funzionale adatto all’applicazione e lo inserirà all’interno del progetto senza
doversi preoccupare di come questo modulo sia stato sviluppato, questo metodologia progettuale
consente di diminuire notevolmente i tempi di sviluppo di un sistema di controllo dotato di molti
sensori/attuatori poiché tutti i componenti possono essere posti in comunicazione fra loro
utilizzando i corretti moduli di interfaccia. L’ IEEE 1451.2[2] specifica il modulo Smart Transducer
Interface Module (STIM), questa risulta essere l’interfaccia digitale ed il protocollo di
comunicazione seriale attraverso i quali un trasduttore, o un gruppo di trasduttori, possono ricevere
ed inviare informazioni in formato digitale, quindi questo blocco funzionale si preoccuperà di
interfacciare l’NCAP ai trasduttori consentendo l’esecuzione di applicazioni per il condizionamento
del segnale, conversioni del segnale stesso ed eventuali processi di linearizzazione. All’interno della
famiglia IEEE 1451.3[6] viene definito il Distributed Multidrop System (DMS), una interfaccia
digitale che si occupa di interconnettere fra loro diversi trasduttori fisicamente distanti fra loro,
quindi permette attività di sincronizzazione, trasferimento di informazioni, triggering e facilita le
comunicazioni fra diversi sistemi di trasduzione. All’interno dei moduli DMS vengono previsti uno
o più Transducer Bus Interface Module (TBIM), cioè dei bus di comunicazione che permettono di
interconnettere fra loro dispositivi direttamente senza dover utilizzare le STIM. Concludendo questa
breve panoramica delle reti di sensori smart proposte dallo standard IEEE 1451 si ricorda che viene
prevista la possibilità di utilizzare dei dispositivi che prevedano modalità di funzionamento ibrida
Mixed mode transducer (MMI), cioè lo standard prevede la possibilità di collegare anche dei
sensori di natura intrinsecamente analogica, che siano però in grado di comunicare informazioni in
formato digitale per scopi diagnostici e di identificazione, questi dispositivi sono descritti nello
standard IEEE 1451.4[7].
Come visto, secondo l’IEEE 1451 gli smart trasducer includono una “intelligenza” localizzata che
abilita funzionalità di diagnostica, controllo localizzato e la possibilità d’eseguire algoritmi adatti
per l’applicazione oltre alla possibilità di auto configurarsi in una struttura di rete mediante un data
sheet elettronico indipendentemente dalla struttura di rete utilizzata; ciò rende lo standard un
perfetto candidato per strutture di rete innovative che siano esattamente dimensionate sulle
prestazioni necessarie a garantire un corretto funzionamento del sistema che impiega gli smart
sensor.
Figura 2: Blocchi funzionali descritti dallo standard IEEE 1451
Sicuramente è possibile realizzare dei moduli NCAP (Network Capable Application Processor) in
grado di interfacciare trasduttori che seguono lo standard IEEE 1451 verso reti diffuse come
ethernet o CAN, in molti contesti però queste tipologie di rete risultano inadatte, o troppo costose
per applicazioni “sensoristiche”. Negli ultimi anni abbiamo assistito ad una continua crescita nelle
vendite di sensori che richiedono basse velocità per misurare grandezze fisiche quali pressione,
temperatura, posizione e ciò ha portato allo studio nuove strutture di rete che non pongono come
obiettivi principali il QoS (Quality of service), o la velocità di trasmissione, ma pongono l’accento
su altre problematiche, quali i costi ed i consumi.
Dal punto di vista commerciale, ad oggi, smart transducer che rispondano alle caratteristiche dello
standard IEEE 1451 in particolar modo per quel che riguarda l’implementazione dell’NCAP
previsto dall’IEEE 1451.1, non sono presenti sul mercato. E’ opportuno sottolineare che l’unico
dispositivo proposto come aderente alle specifiche NCAP (Agilent BigFoot[8]) è stato ritirato dal
mercato perché troppo costoso per le tipiche applicazioni sensoritiche. Attualmente è possibile
invece trovare sul mercato dispositivi aderenti allo standard IEEE1451.2[2] in particolar modo per
quel che concerne l’utilizzo del TEDS (Transducer Electronic Data Sheet).
Wireless Sensors Networks
Convenzionalmente le comunicazioni fra nodi sensore ed i controllori centralizzati, così
come le prime applicazioni degli smart sensor, prevedono interfacce di comunicazione cablate.
L’utilizzo di cavi consente l’impiego di dispositivi che non hanno limitazioni di potenza poiché
laddove saremo in grado di portare una connessione cablata per i dati sarà in generale possibile
prevedere anche una o più linee di alimentazione, inoltre le soluzioni cablate consentono dei buoni
livelli di sicurezza visto che bisogna avere accesso fisico diretto al cavo per poter prelevare
informazioni dalla rete.
Al contempo però soffrono di gravi limitazioni: in primo luogo per quel che concerne
l’impossibilità o le difficoltà d’installazione in ambienti inospitali per l’uomo, a ciò si aggiunge un
problema implicito di costi visto che l’installazione di ciascun dispositivo richiederà manodopera e
materiali per le operazioni di cablatura; inoltre una struttura cablata è essenzialmente “rigida”, cioè
risulta difficile aggiungere nuovi nodi alla rete o modificare la posizione di sensori preesistenti
senza riconsiderare l’intera struttura della rete, basti pensare a semplici applicazioni di sensori nel
settore del building automation. Si pensi ad esempio ad un sistema di controllo centralizzato per il
condizionamento di una abitazione residenziale: per avere un controllo “ottimale” della temperatura
sarà necessario installare dei sensori di temperatura in ogni stanza, collegati ad una unità di
controllo centralizzata in grado di decidere in che modo abilitare i condizionatori o termoconvettori
presenti nei diversi vani dell’abitazione. In questo contesto l’uso di smart sensor può consentire di
alleggerire le specifiche del controllore centralizzato utilizzando sensori di temperatura che
monitorino automaticamente l’escursione termica all’interno di ciascuna stanza e siano in grado di
abilitare direttamente il funzionamento dei sistemi di ventilazione posti all’interno dello stesso vano
abitativo. È evidente però che per spostare anche uno solo di questi sensori o attuatori
(condizionatori o termoconvettori) è necessario ripensare ai cavi posti all’interno delle murazioni e
se non sono state previste in sede di progetto delle guide per cavi aggiuntive risulta necessario
ricorrere a nuove opere di muratura. Esempi analoghi potrebbero essere fatti sempre nel campo
della building automation per quanto concerne il controllo dell’illuminazione, o di un impianto di
antifurto. Le soluzioni Wireless sembrano essere la soluzione ideale a questo tipo di problemi, ma
esse comportano al contempo una serie di svantaggi in termini di problemi di propagazione del
segnale, interferenze, sicurezza, requisiti di potenza, norme legislative ed altro ancora. Per molti di
questi problemi esistono soluzioni efficaci, ma per ogni soluzione adottata dovremo sempre
prendere in considerazione l’aumento della complessità progettuale e il relativo aumento dei costi di
realizzazione. Molte applicazioni, infatti, non consentono di utilizzare soluzioni wireless evolute
come i sistemi di telefonia cellulare o le reti descritte dagli standard IEEE 802.11 Wireless Local
Area network[12], o altre soluzioni ancor più costose.
Delineando quali siano i requisiti a cui una rete di sensori wireless deve rispondere si osserva che
alcuni risulteranno essere comuni a qualsiasi tipologia di rete wireless (Fra gli altri possiamo
ricordare prestazioni, range, sicurezza e consumi); altri risulteranno essere dipendenti dalla
particolare applicazione, è questo il caso per esempio della determinazione della velocità di
trasmissione, visto che alcune applicazioni richiedono decine di megabits al secondo (es.
Applicazioni di video sorveglianza), mentre altre hanno requisiti meno stringenti nell’ordine di
pochi kbit al secondo (es. Telecomandi, sensori di temperatura ecc…).
Le dimensioni delle reti stesse possono variare in funzione dell’applicazione e variare dal metro
fino ad alcuni chilometri. Infine, è opportuno analizzare le caratteristiche peculiari che differenziano
le reti di sensori rispetto alle reti tradizionali, fra le altre anticipiamo come già detto la necessità di
prevedere modalità di autoconfigurazione, in particolare se ci si riconduce allo standard IEEE 1451
si dovrà prevedere l’utilizzo del riconoscimento dei dispositivi mediante TEDS (Transducer
Electronic Data Sheet).
Scopo principale di una rete di sensori è distribuire sulla rete le informazioni raccolte da ciascun
nodo. Affinché i dati possano essere verificati e coordinati, l’utente deve essere in grado di accedere
ad ogni dispositivo per conoscerne la calibrazione effettuata dal costruttore ed ogni dato utile alla
sua identificazione, risulta infine indispensabile che siano previste delle modalità di identificazione
di ciascun nodo all’interno della rete[9].
Altro fattore caratterizzante le reti di sensori è la necessità di raccogliere le informazioni dai sensori
in modo sincrono, o meglio si ha la necessità di sapere esattamente quando una grandezza viene
rilevata da un trasduttore, in generale una rete di sensori dovrà avere una organizzazione più
deterministica dal punto di vista dei tempi, rispetto a reti ad accesso casuale, generalmente
impiegate nelle reti informatiche.
Ogni livello fisico in grado di realizzare uno standard simile o aderente all’ IEEE 1451 deve
prevedere un robusto meccanismo di sincronizzazione, per permettere la coesistenza dei diversi
dispositivi sulla rete visto che la risoluzione temporale nelle applicazioni più stringenti può essere
nell’ordine del microsecondo.
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[10], 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[11]:
•
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.
L’uso di strategie multi-hop può consentire l’utilizzo di basse potenze di trasmissione, migliorando
le caratteristiche dei nodi in termini di requisiti di potenza, quest’ultima infatti risulta essere una
delle caratteristiche più stringenti poiché i sensori utilizzano delle sorgenti di potenza che non
possono essere in generale sostituite, o quantomeno non possono essere sostituite frequentemente,
per questo motivo una efficiente implementazione di wireless sensor networking deve prevedere
meccanismi che diano la possibilità all’utente di scegliere il compromesso migliore fra prestazioni e
durata delle batterie.
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.
Nello schema riportato di seguito le LR-WPAN vengono inserite all’interno della generica
classificazione delle reti in funzione dell’area coperta, si osserva che anche considerando aree
ristrette il numero di nodi può essere comunque molto elevato, quindi bisognerà porre particolare
attenzione, ogni qualvolta si parlerà di dimensione della rete si indica la dimensione fisica in termini
di area coperta e non in numero di nodi.
Figura 3: Classificazione delle reti in funzione dell’area coperta
Nella Figura 3 vengono riportate le dimensioni caratteristiche delle WAN (Wide Area Network),
MAN (Metropolitan Area Network), LAN (Local Area Network), PAN (Personal Area Network),
ed infine BAN (Body Area Network). Questo tipo di classificazione viene in genere ricondotto alla
definizione di reti cablate, anche se in generale potremo costruire un modello molto simile in cui
inserire le diverse tipologie di rete wireless ad oggi presenti sul mercato, quest’ultima
classificazione però risulterà essere meno precisa per la continua evoluzione del mercato del
wireless. In corrispondenza delle reti locali locali LAN possiamo individuare il corrispondente
wireless all’interno dello standard IEEE 802.11[12] che descrive le WLAN, reti pensate per poter
sostituire la corrispondente cablata, quindi in grado di sostenere i flussi di informazioni richiesti dai
personal computer, raggiungendo velocità di trasmissione comprese fra gli 11Mbit/s (IEEE
802.11b[12]) ed i 54 Mbit (IEEE 802.11g[14]), anche se sono attualmente allo studio nuovi standard
che intendono estendere le capacità delle reti WLAN oltre i 100 Mbit/s.
Esistono reti wireless anche nel campo delle MAN dando origine alle Wireless Metropolitan Area
Network, in grado di coprire aree superiori al chilometro (WMAN IEEE 802.16[15]).
Per quanto concerne le PAN, cioè reti personali che devono coprire distanze fino a dieci metri, è
recente la composizione di un comitato dedicato alle WPAN (Wireless Personal Area Network),
indicato come IEEE 802.15[16]; all’interno di questo gruppo sono state definite tre diverse classi di
WPAN caratterizzate da diversi data rate, consumi e QoS:
•
WPAN ad elevati data rate
Vengono descritte dall’IEEE 802.15.3[17], all’interno di questa famiglia si trovano tecnologie
pensate per applicazioni di tipo multimediale e che richiedano un elevato QoS, fra le altre
ricordiamo WiMedia e Bluetooth2;
•
WPAN a medi data rate
Sono tecnologie descritte dall’IEEE 802.15.1[16] (Bluetooth), sono pensate come il candidato
ideale alla sostituzione dei cavi per l’elettronica di consumo, quindi in particolare per
applicazioni nel campo della telefonia cellulare e dei PDA (Personal Digital Assistant);
•
WPAN a bassi data rate
Vengono indicate come LR-WPAN (Low Rate WPAN IEEE 802.15.4[18], ZigBee),
intendono rispondere alle esigenze di reti che richiedano bassi consumi e bassi costi che non
possano essere implementate con altre WPAN.
Come detto in precedenza, le PAN saranno l’ambiente di studio per la realizzazione di reti di
sensori wireless, ed in particolare ci si concentrerà sulle reti a basso data rate, caratterizzate da
bassi costi e consumi.
È opportuno notare come l’intento dello standard IEEE 802.15.4 non sia quello di competere con
altre tecnologie di rete wireless già esistenti, ma di completare, lo spettro delle applicazioni wireless
con basso data rate.
Nel caso particolare delle reti di sensori è possibile effettuare ulteriori classificazioni utilizzando per
esempio la tipologia dell’applicazione (Industriale, medica, militare, consumer, ecc…), oppure
considerando l’ambiente in cui la rete deve essere utilizzata (Ambienti caratterizzati da vibrazioni,
esplosioni, solventi, accelerazioni, temperature ecc…). L’interesse nelle reti di sensori wireless ha
tre aspetti principali, in primo luogo la necessità di ridurre i costi d’installazione dovuti ai materiali,
ai cavi impiegati, alla fase di testing e di verifica. Per esempio un fine corsa può costare
tranquillamente meno di un dollaro, ma i suoi costi d’installazione possono raggiungere i 50$ o
anche più, questo a causa delle difficoltà di installazione. In secondo luogo i cavi necessitano
l’utilizzo di connettori che per loro natura sono soggetti ad usura, possono rompersi, o sconnettersi,
ciò da luogo al cosiddetto problema dell’ultimo metro, per riprendere gli analoghi problemi che si
hanno nelle WAN (last mile connectivity problem). Il terzo aspetto è il fatto che le WSN (Wireless
Sensors Network) permettono la realizzazione di ambienti dotati di una elevata densità di sensori
che implementano una struttura di controllo che genera grandi quantità di informazioni le quali
possono essere impiegate per migliorare la qualità dei processi industriali, le corrispondenti versioni
cablate, anche nei casi in cui fosse fisicamente possibile realizzare una rete dotata di un elevato
numero di trasduttori, risultano essere svantaggiose da un punto di vista economico e ciò rende la
realizzazione di sistemi ad elevate densità di nodi sensore cablati praticamente irrealizzabili, o
comunque economicamente improponibili.
Figura 4: Classificazione delle reti wireless in funzione del Data Rate, della complessità e dei
Consumi.
Una soluzione wireless consente maggior flessibilità, semplicità di installazione e manutenzione,
ma al contempo dovremo tenere conto del fatto che i vantaggi appena descritti in molte applicazioni
non sono sufficienti per prevedere la completa sostituzione delle reti cablate, basti pensare al
problema della sicurezza.
Il problema della sicurezza in realtà va visto sotto due aspetti:
•
Sicurezza reale
Cioè il vero livello di sicurezza della rete, previsto a livello di protocollo, sistemi di
crittografia e altro;
•
Sicurezza percepita
Cioè il livello di sicurezza percepito dall’utente finale, che può essere molto inferiore
rispetto alla reale sicurezza della rete.
Ciò porta a valutare in sede di progetto la possibilità di realizzare reti di tipo ibrido in cui venga
prevista una parte cablata ed una parte wireless, in grado però di cooperare ed interagire fra loro in
modo trasparente per l’utente finale.
In questo contesto le reti di sensori wireless possono essere considerate come una estensione delle
reti cablate, laddove l’utilizzo delle tecnologie wireless aggiunge valore specifico all’applicazione.
Applicazioni
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[19]:
•
Temperatura;
•
Umidità;
•
Movimenti di veicoli;
•
Condizioni di illuminazione;
•
Pressione;
•
Livelli di rumore;
•
Presenza o assenza di determinati tipi di oggetti;
•
Stress meccanici;
•
Velocità, direzione e dimensione di oggetti.
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 (es: 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.
Applicazioni militari
Le reti di sensori wireless possono diventare parte integrante delle più comuni attività militari come
il comando, il controllo dei campi di battaglia, la rilevazione degli spostamenti delle truppe
nemiche, la sorveglianza e le operazioni di localizzazione dei bersagli. Questo perché le WSN sono
caratterizzate da un elevato numero di nodi dal costo contenuto che possono essere impiegati in
grandi quantità anche in ambienti inospitali quale può essere un campo di battaglia.
L’eventuale distruzione infatti di uno o più nodi non influenza l’efficienza della rete, cosa che
invece potrebbe accadere utilizzando reti cablate.
Alcune delle applicazioni del campo militare possono essere il controllo ed il rilevamento dello
stato degli equipaggiamenti, la sorveglianza del campo di battaglia per monitorare le attività delle
fazioni nemiche, o ancora per rilevare i danni conseguenti ad una battaglia, o il riconoscimento di
agenti chimico fisici nell’ambito di battaglie chimico biologiche.
In quest’ultimo contesto è possibile individuare anche il concetto di misura distribuita che una rete
di sensori wireless può consentire, cioè nel caso della rilevazione di agenti chimici non è di primaria
importanza conoscere la concentrazione di sostanze rilevata da ciascun nodo sensore, ma è più
rilevante sapere quali zone sono state interessate dall’attacco chimico, i diversi sensori allora
possono implementare degli algoritmi di cooperazione che permettono di avere una informazione di
misura appunto “distribuita” su di una determinata regione e non localizzata in punti precisi.
Applicazioni industriali
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.
Controllo ambientale
Alcune delle applicazioni delle WSN in questo ambito possono essere i sistemi di prevenzione degli
incendi, le statistiche relative alla fauna protetta, agricoltura di precisione, ricerche meteorologiche
e geofisiche, controllo dell’inquinamento. Consideriamo ad esempio l’impiego di una rete di sensori
wireless nella lotta agli incendi, un numero elevato di sensori possono essere posizionati in zone
strategiche in modo casuale all’interno di una vasta area boschiva, questi nodi ovviamente devono
essere dotati di opportuni meccanismi di power scavenging, come celle solari, poiché i sensori
possono essere abbandonati nel territorio per lunghi periodi. L’utilizzo di sensori wireless permette
di superare gli ostacoli tipici degli ambienti boschivi quali le rocce, gli alberi e la vegetazione in
genere, che non consentirebbe l’installazione delle corrispettive versioni cablate, a meno di
considerare interventi radicali molto costosi e distruttivi.
Un campo di sviluppo molto recente che prevede l’utilizzo delle LR-WPAN è l’agricoltura di
precisione[20], che prevede l’utilizzo di sensori distribuiti che possono monitorare alcuni parametri
fondamentali per le coltivazioni come le concentrazioni di nitrati, la temperatura del suolo, la
composizione del terreno, la quantità di acqua piovana, l’umidità relativa delle coltivazioni ed altro
ancora. In questo modo è possibile studiare dei sistemi di controllo che consentano di migliorare
l’agricoltura sia in termini di qualità del prodotto finale sia per quanto concerne la quantità,
consentendo quindi un notevole vantaggio economico per il fattore. Affinché questo tipo di sistema
di controllo applicato all’agricoltura possa essere efficace è necessario che l’informazione di ogni
sensore sia correlata alla sua posizione affinché l’utente sia informato sulle zone precise in cui
intervenire.
L’agricoltura di precisione, come del resto i sistemi di prevenzione degli incendi descritti
precedentemente, giacciono nella parte più bassa dello spettro delle applicazioni delle LR-WPAN,
poiché richiedono la trasmissione di pochi bit di dati al giorno per ogni dispositivo impiegato, i
flussi di informazione inoltre sono tipicamente asincroni in natura, consentendo quindi di sviluppare
algoritmi di risparmio energetico che ben si applicano al paradigma delle LR-WPAN.
Le difficoltà che si possono incontrare nel progetto di questo tipo di rete sono le particolari
topologie necessarie, poiché per coprire vaste aree avremo bisogno di reti mesh che consentano cioè
ad alcuni nodi di funzionare come ripetitori del segnale inviato da altri, consentendo al messaggio di
giungere fino al corretto destinatario, tutto questo però sempre adottando politiche di risparmio
energetico, visto che è improponibile il controllo e l’eventuale sostituzione di batterie per reti di
sensori implementate su vaste aree geografiche. Infine queste reti devono consentire meccanismi di
autoconfigurazione poiché attività di setup manuale per un così elevato numero di nodi risultano
economicamente improponibili.
Applicazioni Mediche
Alcuni esempi in questo campo possono essere la trasmissione dei parametri fisiologici dei pazienti
all’interno degli ospedali, attività diagnostiche, somministrazione di medicinali, personal
healthcare ed altro. L’utilizzo di WPAN consente all’interno delle strutture ospedaliere di poter
monitorare i parametri fisiologici dei pazienti come temperatura, pressione sanguigna, pulsazioni
cardiache in modo non invasivo per il paziente e consentendo l’intervento tempestivo dei medici in
caso di bisogno. Applicazioni simili possono essere individuate anche nel personal healthcare, basti
pensare ad una serie di sensori dotati di interfaccia wireless integrati per esempio all’interno di un
orologio da polso che consenta la misurazione dei battiti cardiaci, o in una bilancia per monitorare il
peso; in questo modo con una trasmissione giornaliera verso un PDA o un personal computer è
possibile costituire un archivio personale in cui vengono memorizzate le informazioni salienti del
nostro stato di salute. Altra applicazione interessante è il controllo remoto di persone anziane per
prevenire situazioni di pericolo quali per esempio una caduta o uno sbalzo improvviso delle
pulsazioni cardiache. Infine, nominiamo solamente la possibilità di controllore la somministrazione
di medicinali all’interno degli ospedali, supponiamo infatti di dotare ogni confezione di un apposito
smart transducer che ne consenta l’identificazione ed ogni paziente sia dotato di un dispositivo che
memorizzi le eventuali allergie o le prescrizioni effettuate dal medico curante, in questo modo si
potrebbe ridurre drasticamente il rischio di errata somministrazione.
Home and Building automation
Con l’evoluzione tecnologica ci aspettiamo di trovare degli smart transducer in ogni apparato
elettronico all’interno della casa come televisori, VCR, forni a microonde, frigoriferi e quant’altro,
in modo che tutti questi dispositivi siano in grado di interagire fra loro e verso il mondo esterno
attraverso altre infrastrutture di rete come comunicazioni via satellite o più diffusamente internet.
Il progetto di una casa intelligente di questo tipo può prevedere due diversi approcci progettuali, un
sistema human centered che prevede che la tecnologia sia in grado di rispondere alle esigenze
dell’utente finale in termini di interazione input/output o technology centered che vuole creare un
cosiddetto smart environment[21], in cui ogni dispositivo della casa integra uno smart device in
grado di comunicare con un server di stanza, il quale a sua volta è in grado di comunicare con i
server delle stanze adiacenti in modo da creare un sistema integrato autoconfigurante, ed auto
organizzato. Oltre ai componenti di elettronica di consumo possiamo includere nella categoria delle
innovazioni che possono portare le LR-WPAN all’interno delle case il controllo dei sistemi HVAC
(Heating, ventilation and air contidioning), sistemi cioè in grado di regolare la temperatura di ogni
stanza sulla base di diversi sensori disposti per esempio in corrispondenza delle finestre per
verificare se queste sono aperte o chiuse, in corrispondenza delle superfici vetrate in modo da poter
valutare l’effetto della radiazione solare sulla temperatura della stanza. Altre applicazioni che
abbiamo già ricordato nei paragrafi introduttivi sono la realizzazione di sistemi di controllo ed
antifurto ed il controllo dell’illuminazione.
Concludiamo questa breve panoramica delle applicazioni possibili delle LR-WPAN all’interno delle
case ricordando l’utilizzo di queste tecnologie nell’industria ludica dei giocattoli sia per quanto
riguarda i giocattoli classici come bambole o peluche che dotati di opportuni sensori wireless
possono essere in grado di riconoscere il bambino con cui stanno interagendo o per quanto riguarda
i giochi più moderni come i videogiochi elettronici, le LR-WPAN possono essere impiegate per
“tagliare il cavo” dei controlli remoti come Joystick o pistole, ma anche per permettere a diverse
console di interagire tra loro comunicando per esempio i record raggiunti o i migliori tempi. Stesso
discorso ovviamente vale per le periferiche connesse ai calcolatori che per loro natura richiedono
bassi data rate come mouse o tastiere; con l’impiego delle LR-WPAN possono avvantaggiarsi
rispetto alle tecnologie wireless già disponibili come il Bluetooth, con migliori sistemi di gestione
dei consumi consentendo la sostituzione delle batterie ad intervalli molto ampi nell’ordine di alcuni
anni.
Scelte Tecnologiche
Il progetto di una rete di sensori richiede la valutazione di diversi aspetti tecnologici che
possono guidare il progettista ad effettuare una scelta fra le diverse tecnologie disponibili, alcuni di
questi fattori devono essere: fault tolerance, scalabilità, costi produttivi, ambienti operativi,
topologia di rete, requisiti hardware, mezzo trasmissivo utilizzato ed infine i consumi, in questo
paragrafo verrà analizzato nel dettaglio ciascuno di questi aspetti:
Fault tolerance
I nodi sensori sono intrinsecamente soggetti al fallimento, inteso come malfunzionamento del
dispositivo, è già stato visto infatti come questi smart transducer possano essere utilizzati in
ambienti particolarmente ostili come i campi di battaglia; in questi contesti un singolo sensore può
tranquillamente essere danneggiato o distrutto e ciò non deve pregiudicare il funzionamento
dell’intera rete. Senza pensare a queste applicazioni, che possono comunque essere ritenute di
nicchia, un nodo sensore potrebbe semplicemente cessare di funzionare a causa della mancanza di
energia, ed anche in questa condizione il corretto funzionamento della rete non deve venire
pregiudicato. Con fault tolerance viene indicata la capacità di una rete di sensori di mantenere le
sue funzionalità in corrispondenza del malfunzionamento dei suoi nodi[22]. Possiamo definire un
modello per questa tolleranza come una funzione del tasso di decadenza dei nodi, cioè l’indice del
malfunzionamento dei nodi, e del tempo. Ogni qualvolta, ci si appresta al progetto di una WSN, si
dovrà tenere presente quale sia la tolleranza richiesta, e rispettarla implementando opportuni
algoritmi. Se i sensori sono utilizzati in ambienti caratterizzati da basse interferenze questi algoritmi
e protocolli possono essere rilassati, nel senso che la possibilità che un nodo venga a non funzionare
risulta essere possibile ma remota, discorso analogo vale per quel che concerne il tipo di
applicazione; è ovvio che la tolleranza che dovremo avere in una rete che monitora un processo
chimico sarà ben superiore rispetto alle misure di temperatura o umidità effettuate in ambito
domestico in contesti HVAC.
Scalabilità
Il numero di nodi sensore che è possibile individuare in un’area coperta da WPAN, che ricordiamo
può arrivare ad una decina di metri, è sostanzialmente variabile in funzione della specifica
applicazione. Ci si aspetta comunque di individuare anche centinaia di sensori disposti molto vicini
fra loro che possano raggiungere in generale densità nell’ordine dei 20 dispositivi per metro
quadrato. Una densità così elevata deve essere tenuta in considerazione in sede di progetto per
garantire il corretto funzionamento della rete stessa. Inoltre si dovrà considerare il fatto che i singoli
nodi possono evolvere nel tempo sia in termini di posizione che di funzionamento, si pensi per
esempio ad una abitazione che contenga diversi dispositivi in ogni elettrodomestico, in un futuro
non troppo lontano ci aspettiamo che anche ognuno di noi porti con se un numero elevato di smart
sensor integrati certamente in cellulari e pda, ma anche più semplicemente nelle scarpe o negli
occhiali, è evidente allora che il cambiamento di posizione di una sola persona all’interno di una
stanza porta al cambiamento di posizione di molti nodi sensore. Si consideri infine la densità di
dispositivi che si può raggiungere quando una serie di persone dotate di più smart sensor si trovano
in unico luogo come una lezione universitaria o uno spettacolo teatrale, in questi particolari contesti
si dovrà garantire che i diversi dispositivi siano in grado di interagire fra loro senza generare mutue
interferenze.
Costi produttivi
Come detto più volte ed analizzato in dettaglio nel paragrafo precedente, uno dei vantaggi dell’uso
di reti di sensori wireless è la possibilità di utilizzare un numero molto elevato di smart transducer,
affinché questo risulti essere effettivamente un vantaggio si dovrà garantire che il costo di ciascun
dispositivo sia molto contenuto, infatti se il costo del numero di nodi richiesti supera il costo di una
normale struttura cablata i vantaggi tecnologici risultano essere annullati dallo svantaggio
economico.
La tecnologia allo stato dell’arte dovrebbe consentire di avere nodi sensore dal costo contenuto al
disotto del dollaro, ad oggi però se si considerano per esempio dispositivi realizzati utilizzando
come sistema di comunicazione Bluetooth, il costo della sola radio supera l’obiettivo che è stato
prefissato.
Il problema del costo inoltre non risiede solo nella tecnologia di comunicazione scelta, ma deriva
anche dai trasduttori, dall’elettronica di condizionamento del segnale ed infine dalle unità di
calcolo.
Il progetto di uno smart sensor dovrà quindi essere guidato dalle particolari richieste
dell’applicazione, scegliendo i componenti che garantiscano le specifiche di progetto, ma che al
contempo rispettino le disponibilità di budget.
Ambienti operativi
I sensori possono essere utilizzati in luoghi fortemente inospitali, quali per esempio i campi di
battaglia o all’interno di processi produttivi caratterizzati da alte pressioni e/o alte temperature. Il
progetto di uno smart sensor quindi non può prescindere dal contesto all’intero del quale dovrà
essere utilizzato, in particolare dovremo prevedere dei package in grado di sopportare le condizioni
di temperatura, pressione, vibrazione, accelerazione che sono tipiche dell’ambiente in cui deve
lavorare.
Tutto ciò deve essere fatto alla luce di due parametri già indicati cioè dovranno essere garantiti il
rispetto della fault tolerance ed il contenimento dei costi.
Topologia di rete
Gli aspetti inerenti alla topologia delle reti di sensori wireless possono essere studiati sotto due
diversi aspetti, in primo luogo verrà analizzata la topologia di rete indicando con questo termine la
posizione che i diversi dispositivi vengono ad occupare nello spazio, mentre in un secondo
momento si descriveranno le diverse tipologie di rete da un punto di vista funzionale, e della
possibilità di intercomunicazione fra i diversi nodi.
Per quel che concerne il posizionamento fisico dei dispositivi è opportuno ricordare che uno dei
vantaggi delle reti wireless risiede proprio nell’estrema libertà con la quale si possono collocare i
nodi sensore, si è già ricordato come la densità tipica di sensori possa essere nell’ordine delle decine
per metro quadrato e come la posizione relativa fra i diversi dispositivi possa evolvere nel tempo.
Ricordando inoltre che anche nodi sensore essenzialmente statici, cioè posti in posizioni precise che
non evolvono nel tempo sono soggetti al problema dello spegnimento a causa della mancanza di
energia, ciò comporta che anche questi dispositivi contribuiscono all’evoluzione della topologia di
rete. Infine, è opportuno ricordare che un altro vantaggio delle WSN è la facilità con la quale queste
possano essere integrate con l’aggiunta di nuovi dispositivi, anche questo contribuirà al
cambiamento della topologia di rete.
Tutte le osservazioni fatte portano a valutare l’utilizzo di “topologie funzionali di rete” e di
protocolli di routing (protocolli di “instradamento”) che garantiscano l’affidabilità della rete anche
in corrispondenza di continui cambiamenti di posizione dei nodi e/o all’aggiunta/rimozione dei nodi
stessi.
In prima approssimazione è possibile classificare le topologie di rete in tre diversi gruppi: reti a
stella, reti mesh o peer to peer ed infine reti ad albero[23].
Figura 5: Classificazione delle topologie di rete.
In Figura 5 sono schematizzate le strutture delle topologie di rete appena elencate, nella prima si
individua un nodo centrale dotato di funzionalità di coordinatore, esso infatti viene definito
coordinatore della rete o centro della rete a stella, tutti gli altri nodi fanno riferimento a questo nodo
centrale. Ciò implica che affinché due nodi possano comunicare fra loro è necessario che entrambi
comunichino con il coordinatore della rete. Questa topologia risulta essere la più semplice
implementabile, che consente l’impiego di protocolli poco onerosi da un punto di vista
computazionale per i nodi semplici, ciò pone questa tipologia di rete in primo piano nel caso in cui
sia possibile progettare un nodo che non abbia particolari requisiti in termini di potenza ed invece
più nodi che debbano essere alimentati da unità di potenza limitata; è questo il caso per esempio
delle periferiche di input di un personal computer, sarà infatti possibile progettare un nodo centrale
collegato al computer che possa essere alimentato dal computer stesso (es. mediante bus USB), ed
invece diverse periferiche come mouse o tastiere alimentati a batteria.
Generalmente il coordinatore delle reti a stella è in grado anche di funzionare da bridge verso altri
sistemi di connessione, è proprio questo il caso dell’esempio appena fatto poiché il coordinatore
funge da bridge fra il bus USB e la rete LR-WPAN.
La topologia di rete stella però viene superata in funzionalità dalle reti di tipo peer to peer o mesh,
reti cioè in cui il ruolo del coordinatore non è essenziale poiché ogni dispositivo è in grado di
connettersi con tutti gli altri. In questo modo è possibile realizzare dei percorsi ridondanti che, da un
lato, consentono di aumentare l’affidabilità della rete, ma dall’altro richiedono l’implementazione di
algoritmi di routing più complessi.
Infine abbiamo la topologia ad albero in cui diversi cluster costituiti da gruppi di nodi possono
“interconnettersi” in modo simile a come avviene la diramazione delle foglie su un albero. Ciascun
cluster, infatti, è dotato di un nodo principale che rappresenta il punto d’accesso per la sottorete in
questione. Il vantaggio di questa topologia rispetto alle reti mesh è la riduzione dei percorsi di
comunicazione possibili e ciò consente lo sviluppo di sistemi di gestione meno complessi.
Requisiti hardware
Uno smart sensor è costituito essenzialmente da quattro moduli funzionali: sensore, unità di
elaborazione, transceiver, unità di potenza. Si osserva come i moduli funzionali individuati siano
corrispondenti a quelli individuati nel paragrafo 1.1 che descrive la struttura di un generico smart
transducer secondo lo standard IEEE 1451. In realtà come abbiamo visto all’interno del modello il
sensore risulta essere composto da uno o più trasduttori collegati a blocchi di conversione A/D, i
segnali analogici in uscita dal trasduttore vengono infatti convertiti in digitale se non sono già in
questa forma , e posti in ingresso all’unità di elaborazione, la quale a sua volta sarà connessa ad un
transceiver in grado di effettuare le comunicazioni utilizzando il mezzo trasmissivo prescelto come
vedremo nel paragrafo seguente.
L’unità di elaborazione è sede delle procedure che permettono allo smart sensor di poter collaborare
con gli altri nodi e di portare a termine le attività di rilevazione assegnate al nodo stesso. L’unità di
potenza infine dovrà essere costituita da moduli di power scavenging, come celle solari e/o da
batterie, poiché i nodi sensore vengono posti in zone spesso inaccessibili e la vita operativa di
ciascun nodo dipende essenzialmente dalla vita operativa dell’unità di potenza. Per raggiungere
l’obiettivo di una vita funzionale duratura abbiamo a disposizione due scelte, da un lato possiamo
impiegare unità di potenza sovradimensionate rispetto ai consumi dei componenti, in questo modo
garantiremo lunga vita operativa, ma per mantenere contenuti i costi e le dimensioni dei dispositivi
questa strada risulta essere impercorribile. Migliore risulta essere l’utilizzo di piccole unità di
potenza, ma al contempo di componenti che richiedano il minor consumo possibile e l’utilizzo di
algoritmi che tendano a minimizzare i consumi.
Mezzo trasmissivo
La comunicazione senza fili fra i diversi dispositivi in una WSN, può essere fatta impiegando
sistemi induttivi, ottici o ad infrarossi, ultrasuoni ed infine a radio-frequenza. Ciascuno di questi
mezzi presenta dei pregi e difetti, in primo luogo affinché essi siano presi in considerazione
all’interno di un progetto di rete di sensori wireless devono essere “disponibili” in ogni parte del
mondo, per evitare problemi di re-ingegnerizzazzione passando da uno stato ad un alto per problemi
di tipo legislativo.
Analizziamo nel dettaglio i mezzi trasmessivi citati:
•
Sistemi induttivi:
Questa tecnologia viene principalmente utilizzata nel campo del Radio Frequency
Identification[38] (RFID), vengono utilizzati dei tag attivi o passivi che vengono letti da
apposite porte di lettura che generano un forte campo magnetico in corrispondenza del quale
una induttanza realizzata all’interno del tag manifesta una corrente indotta che permette la
lettura/scrittura di informazione sul tag. I principali svantaggi di questo tipo di tecnologia
risultano essere le distanze per cui è possibile effettuare correttamente operazioni di
lettura/scrittura. Inoltre se i dispositivi passivi non richiedono unità di potenza i coordinatori
della rete ( porte o varchi di lettura ) richiedono grandi livelli di potenza.
•
Sistemi ottici:
In questo gruppo includiamo le tecnologie come l’ Infrared Data Association IrDA ed altri
standard che prevedono l’uso di tecnologie di tipo ottico, il principale svantaggio risulta
essere la necessità di un collegamento diretto in line of sight dei dispositivi, cioè ricevitore e
trasmettitore devono essere correttamente allineati. Al contempo tecnologie di questo tipo
garantiscono economicità dei transceiver ed affidabilità.
•
Ultrasuoni:
Consentono di superare la limitazione del line of sight tipica dei sistemi ottici, ma la
generazione di ultrasuoni richiede una energia elevata per il coordinatore della rete che
comporta dei costi e delle dimensioni per nulla contenute dei dispositivi realizzati
impiegando queste tecnologie.
•
Radio frequenza (RF):
L’utilizzo di sistemi in radio frequenza consente l’eliminazione dei problemi di line of sight
e lo stato dell’arte nel campo dei transceiver a radio frequenza garantisce dimensioni e
consumi molto contenuti. Un problema rilevante invece riguarda la disponibilità del mezzo
trasmissivo, poiché le bande di frequenza vengono assegnate attraverso legislazioni locali in
ogni stato, ciò comporta che la scelta della banda trasmissiva utilizzata deve concentrarsi su
bande disponibili nella più vasta gamma di nazioni. Le bande cosiddette ISM industrial,
Scientific and Medical rappresentano una delle scelte migliori effettuabili visto che sono
disponibili in molti stati. Le frequenze ISM sono state 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. Alcune delle principali
bande disponibili con le relative applicazioni maggiormente diffuse sono rappresentate in
Figura 6. Si ricorda che per lo sviluppo di una rete di sensori wireless si vogliono realizzare
dispositivi dai costi e dalle dimensioni contenute ciò porta a considerare solo alcune delle
bande ISM[24], questo a causa di alcune limitazioni hardware in termini di efficienza delle
antenne e limitazione dei consumi, negli ultimi anni si stanno concentrando studi per le
bande nell’intorno dei 2.4 GHz. Il vantaggio nell’utilizzo delle ISM deriva oltre che dalla
loro disponibilità, deriva dal fatto che risultano essere svincolate dall’utilizzo di un
particolare standard di comunicazione consentendo quindi al progettista ampia libertà
nell’implementazione di tecniche di power saving fondamentali nelle reti di sensori.
Figura 6: Principali suddivisioni della banda ISM.
D’altro canto vi sono diverse limitazioni inerenti la potenza di uscita delle trasmissioni radio
dovute a ragioni legislative per minimizzare l’inquinamento elettromagnetico ed in secondo
luogo motivazioni di ordine economico. Le potenze tipiche consentite all’interno delle ISM
coprono un range compreso fra gli 0 dBm ed i 20 dBm, la potenza limitata imposta alle
comunicazioni radio si traduce in coperture limitate del segnale.
A titolo d’esempio[20] ricordiamo che un circuito in radio frequenza dotato di una potenza di
uscita di 0dBm accoppiato ad un ricevente avente sensibilità di 70 dBm, permette alla
comunicazione di coprire una distanza massima di 10 m, all’interno di uno spazio
modellizzato mediante un modello di perdita logaritmico considerando un coefficiente di
perdita con esponente pari a tre.
Consumi
Come analizzato nel paragrafo dei requisiti hardware ciascun nodo sensore tenderà ad impiegare
delle piccole unità di potenza (es. 0,5 Ah e 1,2V), inoltre come abbiamo già avuto modo di
ricordare alcune applicazioni rendono la sostituzione delle unità di potenza irrealizzabile. In una
rete Multi-hop ciascun nodo riveste il doppio ruolo di sorgente dell’informazione e “ripetitore”
dell’informazione generata da altri nodi, ciò implica che il malfunzionamento di alcuni nodi dovuto
al loro spegnimento per la mancanza di potenza comporta un cambiamento della topologia di rete
con conseguente necessità di “reinstradare” i pacchetti in modo corretto. Per questo motivo
l’obiettivo dei ricercatori è divenuto lo studio di algoritmi e protocolli che consentano il risparmio
energetico detti power-aware protocols.
Scopo principale di un sensore wireless è la misurazione di una grandezza fisica, l’elaborazione
dell’informazione stessa ed infine la comunicazione dell’informazione di misura. Risulta quindi
conveniente analizzare i consumi di uno smart-sensor dividendoli in questi tre domini temporali.
L’attività di trasduzione dipende in maniera sostanziale dal tipo di applicazione e ciò si ripercuote
anche sui consumi, la complessità derivante dal rilevare con il desiderato grado di precisione una
grandezza fisica dipende oltre che dal tipo di grandezza fisica in gioco anche dal sistema di
trasduzione, dal rumore di fondo che perturba la misura e dall’elettronica di condizionamento
necessaria. Per questi motivi risulta difficile definire delle strategie generali che consentano la
diminuzione dei consumi.
L’attività di comunicazione risulta essere sicuramente la più onerosa in termini di consumi, questo
perché ogni qualvolta uno smart-sensor deve trasmettere l’informazione dovrà mantenere attivo
l’ascolto sul canale radio per verificare che l’informazione sia stata effettivamente ricevuta dal
destinatario, ciò comporta che per stimare i consumi dovuti ai moduli di comunicazione dovremo
valutare i consumi e le tempistiche relative alla trasmissione ed alla ricezione, ma anche ai consumi
dovuti alle fasi di accensione e spegnimento. L’elettronica impiegata all’interno dei transceiver
richiede infatti generalmente un tempo a partire dall’accensione non nullo per funzionare
correttamente, ciò generalmente è dovuto alla presenza di oscillatori interni PLL (Phased Locked
Loop)[28], amplificatori di potenza ed altri componenti. Questi tempi di commutazione On/off dei
transceiver così come i tempi necessari alla commutazione fra le attività di ricezione e trasmissione
in caso di pacchetti di informazione molto piccoli possono addirittura divenire la componente
dominante dei consumi. In letteratura[25] è possibile trovare alcune diverse formulazioni dei
consumi di una comunicazione radio come espressioni simili alla formula 1.1.
Pe = N T ⎡⎣ PT (TOn + TSt ) + POut (TOn )⎤⎦ + N R ⎡⎣ PR (ROn + RSt )⎤⎦
(1.1)
dove PT e PR indicano rispettivamente la potenza necessaria al funzionamento del trasmettitore e del
ricevitore, POut indica la potenza d’uscita del trasmettitore, TOn ed ROn rappresentano i tempi in cui
trasmettitore e ricevitore sono attivi, TSt ed RSt sono i tempi di startup ed infine N T ed N R indicano
il numero di volte in cui il trasmettitore ed il ricevitore vengono accesi.
TOn può anche essere riscritto in altro modo come il rapporto fra la lunghezza del pacchetto L ed il
data rate R , cioè:
TOn =
L
R
(1.2)
Per avere dei valori di riferimento possiamo trovare dispositivi[26],[27] in grado di garantire PT e PR
nell’ordine dei 20 dBm e POut prossime a 0 dBm.
Dobbiamo infine analizzare i consumi dovuti alla fase di data processing, cioè all’elaborazione
dell’informazione, la scelta dell’unità di elaborazione visti gli stringenti requisiti in termini di costo
e dimensioni cade nell’utilizzo di dispositivi che utilizzano logiche CMOS Complementary Metal
Oxide Semiconductor, sfortunatamente però questi dispositivi sono caratterizzati da impliciti
problemi di dissipazione della potenza, poiché un transistor CMOS richiede potenza ogni qualvolta
viene commutato, ciò implica che la potenza dissipata dall’unità di calcolo così implementata
risulterà essere proporzionale alla frequenza di commutazione, essa inoltre dipende dal quadrato
dell’escursione di tensione (voltage swing), e dalle capacità parassite dei dispositivi. Alcune delle
tecniche più diffuse per contenere i consumi riguardano la riduzione del voltage swing, che in virtù
di quanto appena detto consente una riduzione quadratica dei consumi, questa riduzione può essere
prefissata in fase di progetto o può essere implementata mediante algoritmi di voltage e frequency
scaling che si occupano della riduzione della frequenza di funzionamento e della tensione di
alimentazione in funzione del carico di lavoro.
Quando un processore deve gestire carichi di lavoro variabili nel tempo la riduzione della frequenza
operativa durante i periodi di scarsa attività consente una riduzione lineare dei consumi, possiamo
dare una formulazione dei consumi attraverso la formula 1.C:
PP = CV f + Vdd I 0 e
2
dd
Vdd
n ′VT
(1.3)
Nella formula 1.3 C è la capacità totale di commutazione, Vdd è l’escursione della tensione (voltage
swing) ed f la frequenza operativa, il secondo termine indica la potenza dovuta alle correnti di
perdita di leakage[28].
La scelta dell’unità di calcolo di uno smart transducer dovrà essere fatta come il miglior
compromesso fra le prestazioni in termini di potenza e di velocità d’elaborazione.
Tecnologie RF
Le osservazioni fin qui fatte consentono di ritenere le tecnologie a radio frequenza, la
miglior scelta possibile per l’implementazione delle reti di sensori wireless che possano essere
classificate come LR-WPAN, perlomeno per il momento. In questo paragrafo verranno descritte le
tecnologie applicabili alle WSN che sono già sul mercato e le tecnologie emergenti, fra le quali si
inserisce anche il WirelessUSB™.
Allo stato attuale sono due gli standard che dominano la scena delle comunicazioni wireless,
Bluetooth (BT, IEEE 802.15.1[19]) e Wireless Ethernet (Wifi, IEEE 802.11b-g[12],[13],[14]), come
abbiamo già avuto modo di osservare nella Figura 4 Bluetooth è orientato a connesioni fra
dispositivi posti a distanze relativamente piccole nell’ordine della decina di metri e con data rate
inferiori ad 1 Mbit/s.Wifi invece è stato sviluppato per consentire l’evoluzione delle reti LAN in reti
senza fili con data rate superiori alle decine di Mbit/s, è rivolto quindi principalmente
all’interconnessione di calcolatori. Entrambe queste tecnologie basano i livelli inferiori del loro
stack sullo standard IEEE 802 mentre i livelli più elevati sono stati definiti da consorzi di aziende
SIG Special Interest Group, che ne hanno decretato il successo commerciale.
Analizziamo in dettaglio queste due tecnologie in relazione al loro possibile utilizzo nel campo
delle LR-WPAN di sensori.
Bluetooth
L’idea[29] originale da cui deriva bluetooth nasce nel 1994, quando Ericsson Mobile
Communications inizia a studiare una tecnologia a basso consumo che consenta di sostituire i cavi
nell’ambito degli accessori per telefonia cellulare, in seguito nel 1998 Ericsson, Nokia, IBM,
Toshiba e Intel hanno formato il Bluetooth SIG e nello stesso anno hanno rilasciato la prima
versione del protocollo. Nel marzo 2002 come ricordato nel paragrafo 1.2, Bluetooth è stato
integrato all’interno dello standard IEEE 802.15.1[16].
I devices bluetooth utilizzano la banda ISM nell’intorno dei 2.4 GHz, allocando 79 canali ciascuno
dei quali d’ampiezza pari ad 1 MHz. I canali vengono utilizzati impiegando una tecnica FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum, con una modulazione di segnale di tipo GFSK Gaussian
shaped Frequency Shift Keying.
Ogni dispositivo Bluetooth all’accensione è in grado di operare come slave per un dispositivo
master già attivo, infatti, rimane in ascolto della ricerca da parte del master di nuovi dispositivi ed
in questo caso risponde consentendo al master di conoscere l’indirizzo del nuovo slave presente
nella sottorete. Ogni dispositivo Bluetooth è in grado di operare come master o come slave, il
protocollo prevede un massimo di otto dispositivi slave che interagiscono attivamente con un
master, ciò dà luogo a delle sottoreti che vengono indicate piconet, come mostrato in Figura 7.
Figura 7: Topologia rete piconet.
Le reti piconet possono essere interconnesse tra loro creando delle reti scatternet, queste ultime
risultano essere interessanti poiché consentono la definizione di una struttura di rete multi-hop, cioè
che consente la comunicazione fra due nodi non connessi direttamente, come mostrato in Figura 8.
Cerchiamo di capire come ciò sia possibile, in primo luogo è opportuno ricordare che la tecnica
d’accesso al canale TDMA prevede che uno slave quando vuole accedere ad una piconet deve
attendere un segnale di inquiry (richiesta) da parte del master della sottorete.
A questo punto lo slave è a conoscenza dell’indirizzo del master e della fase di clock del master
stesso. Queste informazioni vengono utilizzate dal dispositivo slave per definire la hopping
sequence, cioè la sequenza delle frequenze che verranno utilizzate nella trasmissione.
Figura 8: Topologia rete scatternet.
Il canale di trasmissione viene cambiato 1600 volte al secondo, ciò significa che la frequenza di
trasmissione rimane invariata per periodi di 625 μ s , questi intervalli vengono definiti time slots e
sono identificati da un sequence number, come mostrato in Figura 9.
Figura 9: Accesso TDMA Bluetooth.
I dispositivi master iniziano la trasmissione negli slot pari, mentre gli slave nei dispari, un
messaggio può durare 1, 3 o 5 slot consecutivi e durante le trasmissioni multislot il canale utilizzato
è lo stesso occupato nel primo slot, ciò implica che la sequenza di hopping non viene aggiornata
durante questo tipo di trasmissioni. Nello standard Bluetooth vengono previsti due diversi tipi di
link, definiti ACL Asynchronus ConnectionLess links e SCO Synchronus Connection Oriented
links. Ogni slave è in grado di stabilire fino a tre collegamenti SCO con lo stesso master, o due con
diversi master, mentre un master può aprire fino a tre collegamenti con tre diversi slave.
I collegamenti SCO garantiscono un bitrate costante e canali di comunicazione simmetrici, queste
caratteristiche li rendono adeguato per supportare applicazioni che richiedano bit rate costante pari
a 64 kbit/s e canali simmetrici, vale a dire che il bit rate dichiarato è valido sia in trasmissione che
in ricezione. La prerogativa dei dispositivi Bluetooth di poter instaurare connessioni multiple è alla
base delle reti scatternet.
I collegamenti di tipo ACL sono idonei per applicazioni non real time in quanto prevedono la
trasmissione di un singolo pacchetto con un master centrale, mediante una sincronizzazione fra i
diversi slave definita dal master centrale.
Come abbiamo appena visto Bluetooth non definisce solamente il livello fisico, ma anche il livello
data link, che permette ai singoli dispositivi di interagire fra loro e di comunicare i servizi in grado
di offrire. In Figura 10[16] viene riportato lo stack protocollare standardizzato dallo standard IEEE
802.15.1, il modulo link manager si occupa di stabilire il tipo di connessione fra i dispositivi sulla
base delle caratteristiche richieste dalla comunicazione come abbiamo avuto modo di mostrare in
precedenza, il control risulta essere una interfaccia verso il link manager e i livelli inferiori dello
stack per garantire un’interfaccia coerente vero l’hardware sviluppato da diversi costruttori.
Il modulo L2CAP Logical Link Control Adaptation Protocol definisce i servizi connectionless e
connection oriented, verso i livelli più alti dello stack, all’interno di questo livello è anche possibile
implementare direttamente il protocollo IP, ma questa modalità non è stata prevista dallo standard.
Infine, senza entrare nei dettagli specifici dell’implementazione è interessante descrivere la
funzione del modulo RFCOMM, il quale definisce un profilo per emulare una porta seriale, ciò
consente di utilizzare Bluetooth per rendere senza fili applicazioni implementate utilizzando
semplici interfacce seriali.
Figura 10: Bluetooth Stack.
Un ultimo aspetto che dobbiamo prendere in considerazione per concludere questa breve
panoramica delle caratteristiche del Bluetooth è la sicurezza.
Bluetooth prevede tre modalità di sicurezza:
•
Modalità1: Non sicuro;
•
Modalità2: Service Level enforced security
(Le strategie di sicurezza vengono applicate dopo l’effettiva creazione del canale di
comunicazione);
•
Modalità3: Link Level enforced security
(Le strategie di sicurezza vengono applicate prima dell’effettiva creazione del canale di
comunicazione);
Le attività di autenticazione a livello di collegamento sono basate sull’utilizzo del Bluetooth device
address (Indirizzo a 48 bit assegnato univocamente ad ogni dispositivo), private autentication key
(Numero casuale), private encryption key (Numero casuale) ed infine un numero casuale a 128 bit
che viene cambiato frequentemente da ogni dispositivo[30], infine ricordiamo che deve essere
utilizzato lo stesso PIN code per ogni dispositivo bluetooth durante le attività di inizializzazione.
Dal punto di vista strettamente protocollare il bluetooth sembra un buon candidato alle reti di
sensori wireless in primo luogo perché permette la creazione di strutture di rete molto flessibili
come le scatternet, fattori che invece ne limitano l’impiego sono il costo ed i consumi. In particolar
modo risulta rilevante quest’ultimo, applicazioni sperimentali[31] infatti hanno mostrato come una
semplice implementazione di rete piconet basata su L2CAP richieda consumi nell’ordine dei
100mW durante la modalità di standby e di 250mW in funzionamento (TX/RX), detto in altri
termini un modulo posto in condizioni di trasmissione continua alimentato con una coppia di
batterie da 1,2 V 1800mAh, può funzionare correttamente per 25 ore.
In generale comunque i dispositivi Bluetooth hanno due diversi stati di funzionamento: Standby in
cui non vengono effettuate comunicazioni e viene mantenuto attivo solo il clock e Connection
all’interno del quale il dispositivo è connesso almeno al master di una piconet.
E’ possibile individuare altri quattro sotto stati relativi alla modalità Connection che vengono
indicati come:
•
Active mode
(Il dispositivo è attivo all’interno della piconet);
•
Sniff mode
(Stato a basso consumo in cui il dispositivo resta in ascolto solo durante gli slot di snif);
•
Hold mode
(Il traffico ACL viene interrotto per un certo intervallo di tempo):
•
Park mode
(Il dispositivo non è più parte della piconet, ma rimane sincronizzato con il master della rete,
è lo stato caratterizzato dalla minima dissipazione di potenza).
Inoltre i dispositivi Bluetooth tendono ad implementare delle soluzioni di power management
proprietarie, che dipendono dai circuiti utilizzati per realizzare il transceiver.
Wifi IEEE 802.11
Lo standard IEEE 802.11 definisce lo standard per le wireless LAN, nel 1997 viene descritta
la prima versione con data rate iniziali di 1 o 2 Mbit/s. Lo standard è stato poi oggetto di revisioni
successive che hanno portato alla definizione dello standard IEEE 802.11b[12], che ha permesso di
raggiungere data rate di 5.5 e 11 Mbit/s, utilizzando la banda ISM nell’intorno dei 2.4 GHz. Nello
stesso anno l’IEEE ha rilasciato le specifiche 802.11a[13] che consentono data rate fino a 54 Mbit/s,
ma opera nell’intorno dei 5GHz, che risulta essere una banda non licenziata negli USA, ma al
contempo non libera in molti altri stati, ciò ha portato alla definizione dello standard IEEE
802.11g[14] nel 2003 che garantisce le stesse prestazioni dell’ 802.11a, ma utilizza frequenze
nell’intorno dei 2.4 GHz.
La banda disponibile viene divisa in quattordici canali parzialmente sovrapposti, ciascuno dei quali
di ampiezza pari a 22MHz, solo undici di questi canali sono disponibili in USA e tredici in Europa.
La tecnica di modulazione utilizzata per le velocità fino a 2Mbit/s è di tipo DSSS (Direct Sequence
Spread Spectrum).
Le Wifi LAN sono basate su un’architettura di tipo cellulare, in cui ogni cella viene chiamata Basic
Service Set BSS; ogni BSS è costituita da una serie di dispositivi Wifi che possono essere fissi o
mobili, l’accesso al mezzo trasmissivo viene realizzato attraverso una serie di regole di controllo
indicate come funzioni di coordinazione (coordination function). La più semplice configurazione di
rete indicata come indipendent BSS o IBSS implementa una rete ad hoc costituita da almeno due
dispositivi. In questa modalità in realtà non esiste una struttura di rete, il che richiede la definizione
di protocolli di alto livello per consentire la creazione di reti multi-hop.
Una BSS può anche essere inserita all’interno di una rete più ampia indicata come Extended Service
Set ESS, costituita da una o più BSS interconnesse fra loro mediante un Distribution System, la cui
natura non viene specificata dallo standard. Ciò implica che possa essere una struttura cablata o
altro tipo di rete wireless. Lo standard inoltre definisce le funzioni del Portal, che risulta essere un
bridge fra le WLAN Wifi e la generica rete LAN IEEE 802.x. In Figura 11 vengono mostrati i
principali componenti di una rete Wifi.
Una stazione Wifi all’accensione è in grado di monitore i canali disponibili per verificare se sono
presenti delle reti già attive, in particolare rileva se sui diversi canali sono presenti dei beacon
frame[32], cioè dei pacchetti inviati dagli access point per identificare la loro presenza e definirne i
parametri di funzionamento.
Figura 11: Rete Wifi.
Una volta posto in ascolto dei diversi canali il generico dispositivo Wifi seleziona una delle reti
disponibili che possono essere ad hoc o infrastructured. Nel primo caso ogni dispositivo riveste il
doppio ruolo di host e router, cioè ogni nodo è in grado di comunicare direttamente con i dispositivi
che può raggiungere via radio ed inoltre con opportuni protocolli di alto livello è possibile creare in
questo contesto delle reti multi hop che consentano la comunicazione fra due nodi che non possano
comunicare per via diretta. Nel secondo caso invece avremo una struttura centralizzata in cui il
dispositivo deve identificarsi presso l’access point, inoltre se viene implementato il protocollo di
sicurezza WPA (Wifi Protected Access) deve essere effettato un ulteriore passo di autenticazione
prima che il dispositivo possa essere ammesso all’interno della rete.
Mentre un dispositivo è inserito all’interno di una BSS, esso può continuare a monitore i diversi
canali per individuare nuove reti ed è in grado di dissociarsi da una rete per passare ad un’altra che
per esempio sia caratterizzata da un segnale più forte. I dispositivi Wifi sono generalmente dotati di
una o più modalità di risparmio energetico.
A causa delle applicazioni a cui è rivolto, il Wifi deve garantire elevati livelli di sicurezza per
evitare che dati sensibili gestiti all’interno delle reti aziendali non siano facilmente accessibili da
parte di utenti Wifi non accreditati. Il problema della garanzia della sicurezza nelle reti wifi è di
primaria importanza, nel 2004 è stato rilasciato lo standard IEEE 802.11i[33] le cui specifiche si
basano sull’evoluzione del WPA utilizzando tecniche di criptatura avanzate basate su TKIP
Temporal Key Integrity Protocol.
Le caratteristiche in termini di struttura di rete e data rate sembrano indicare il Wifi come un
candidato per applicazioni sensoristiche di nicchia in cui venga richiesto un elevato QoS, alti data
rate e buoni livelli di sicurezza. Si pone ora l’obiettivo di valutare la tecnologia Wifi applicata al
campo dei sensori in termini di costi e consumi. Analizziamo dapprima quest’ultimo punto.
Un generico dispositivo Wifi può funzionare secondo lo standard in due diverse modalità che
vengono definite Awake e Doze, come mostrato dalla Figura 12.
Figura 12: Modalità di funzionamento Wifi.
Quando il dispositivo si trova in doze esso non può né ricevere né trasmettere, quindi si trova in
condizioni di risparmio energetico che possiamo indicare come PS power Save mode, la modalità
con cui ogni dispositivo gestisce questo stato dipende dalla topologia di rete:
•
Infrastructured
Una stazione Wifi attiva (AM) che vuole entrare in modalità PS deve segnalare all’access
point questa intenzione utilizzando il bit di power management contenuto nell’header del
pacchetto, l’access point memorizza questa condizione e memorizza il traffico indirizzato
alla stazione in PS. Quando trasmette il beacon periodico, l’access point invia anche la lista
delle stazioni in modalità PS ed indica se c’è del traffico in coda destinato a queste stazioni,
ad intervalli regolari configurabili la stazione in PS passa alla modalità attiva e rimane in
ascolto del beacon, se c’è del traffico a lei destinato rimane in ascolto per poi ritornare in
risparmio energetico.
•
Ad hoc
Le stazioni anche in questo caso possono entrare in modalità PS, ma il traffico a loro
destinato deve essere distribuito fra le varie stazioni che rimangono attive poiché non c’è un
access point centralizzato. Tutte le stazioni in PS passano in modalità attiva all’interno di
finestre temporali chiamate ATIM window, durante le quali i nodi che avevano memorizzato
il traffico destinato ad altri inviano dei pacchetti particolari indicati come ATIM frames, se
una stazione riceve uno di questi frame a lei destinato, rimane attiva per ricevere il traffico.
È opportuno osservare che la modalità d’accesso al canale prevista dal Wifi utilizza sistemi di
accesso CSMA/CA cioè Carriere Sense Multiple Access / Collision Avoidance quindi un
dispositivo in PS all’interno di una rete ad hoc che riceve un frame ATIM può rimanere in ascolto
per un lungo periodo a causa della congestione del canale, ciò implica che sostanzialmente lo
standard descrive solo una modalità di risparmio energetico lo stato Doze, che in alcune particolari
condizioni può risultare non efficiente. Anche per il Wifi sono state condotte delle valutazioni
sperimentali[23] sui consumi utilizzando delle normali schede PCMCIA per computer portatili ed
impiegando microcontrollori. Costituendo una rete ad hoc i consumi si sono assestati nell’intorno di
1 W, i consumi quindi del Wifi risultano essere poco adatti all’impiego nelle reti wireless per
sensori, inoltre l’elettronica necessaria ad una corretta implementazione di Wifi richiede dimensioni
non propriamente contenute ed anche questo fattore gioca a svantaggio nel contesto del Wireless
sensor networking, infine i costi di produzione risultano essere circa 10 volte superiori all’obiettivo
prefissato del costo di 1$ per ogni smart transducer.
Recenti sviluppi
Le novità associate alle reti wireless ed il successo commerciale ottenuto dagli standard già
rilasciati come Bluetooth e Wifi hanno generato un notevole fermento nello studio di nuove
tecnologie di rete wireless.
La ricerca si sta concentrando su tre filoni principali, da un lato si è alla ricerca di reti in grado di
coprire aree molto estese nell’ordine di alcuni km caratterizzate da elevati transfer rate che possano
raggiungere picchi nell’ordine dei Mbit/s, in questo contesto troviamo gli studi per le evoluzioni
future dell’UMTS e WiMax, che implicano costi molto elevati affrontabili solo in virtù dell’elevato
numero di utenti (strutture centralizzate “statali”).
Il secondo e terzo settore d’indagine riguardano invece le WPAN cioè le reti locali wireless
personali con aree di copertura inferiori ai 10m, all’interno di questo contesto troviamo due
differenti approcci, da un lato troviamo la ricerca necessaria a eliminare i cavi per le periferiche ad
alta velocità come USB 2.0 o Firewire (IEE 1394) in grado di supportare transfer rate fino a 480
Mbit/s, queste tecnologie sono inserite nel contesto delle UWB Ultra Wide Band; dall’altro
abbiamo gli studi in merito alle LR-WPAN.
UMTS
L’UMTS Universal Mobile Telecommunications System rappresenta la visione europea della
telefonia di terza generazione, molte volte indicata come 3G. Questa tecnologia nasce come
evoluzione della telefonia GSM Global System for Mobile communication; lo sviluppo di questa
tecnologia richiede l’analisi di due diversi aspetti: l’accesso alla rete radiomobile ed il cosiddetto
core network.
L’accesso alla rete radiomobile riguarda i dispositivi portatili e le antenne radio con i quali questi
dispositivi devono essere posti in comunicazione, mentre il core network si occupa di instradare le
comunicazioni fra le varie base station UMTS oltre che consentire il bridge verso altre reti come
ISDN, Internet ed altro.
Il core network[34] dell’UMTS è una evoluzione del GSM, mentre la modalità di accesso al canale
radio rappresenta una forte innovazione rispetto agli standard precedenti, questo è dovuto al vincolo
progettuale di permettere la fruizione da parte dei terminali UMTS di contenuti multimediali che
richiedono transfer rate elevati, come fra poco vedremo fino a 2 Mbit/s.
Queste prestazioni sono rese possibili dall’ampiezza dei canali utilizzati (5 MHz invece dei 200 kHz
utilizzati dal GSM), e dal metodo di accesso al canale di tipo CDMA Code Division Multiple
Access.
Garantire il possibile utilizzo dell’UMTS come rete globale, implica che l’UMTS Radio Access
Network, URAN sia suddiviso in livelli successivi in modo gerarchico in modo che ogni livello
superiore copre geograficamente l’area interessata da un livello inferiore come mostrato in Figura
13.
Figura 13: Struttura gerarchica UMTS.
Il massimo transfer rate possibile all’interno della rete UMTS dipende dal livello che andiamo a
valutare, avremo un data rate pari a 144 kbit/s nel Macro-layer con una velocità massima relativa
di 500 km/h, mentre nei micro-layer possiamo avere velocità di trasferito di 384 kbit/s con velocità
massime di 120 km/h, infine all’interno dei pico-layer la rete UMTS può supportare fino a 2Mbit/s,
con velocità fino a 10 km/h.
Lo spettro occupato dall’UMTS è stato individuato nel 1992 nelle bande comprese fra i 1885-2025
MHz ed i 2110-2200MHz.
I servizi che l’UMTS è in grado di offrire differiscono fra loro intrinsecamente, abbiamo infatti
applicazioni che vanno dalla messaggistica istantanea alla video conferenza, ciò risulta in differenti
esigenze in termini di QoS e tempi di latenza, vengono quindi definite quattro distinte classi di
servizi[35], in base alla QoS necessaria esse sono:
•
Conversational class.
È la classe più sensibile ai tempi di trasferimento e viene utilizzata per il trasporto di traffico
real-time, una delle applicazioni tipiche di questa categoria è la telefonia;
•
Streaming Class
Viene utilizzata per il trasporto di flussi dati real-time unidirezionali sia video che audio;
•
Interactive Class
Viene utilizzata per applicazioni in cui l’utente deve interagire con la rete mobile come per
esempio la navigazione internet;
•
Background Class
Viene utilizzata ogni qualvolta risulti essere necessario mantenere delle attività di
comunicazione in background, per esempio il download di un file da un database, è la
classe meno sensibile ai tempi di consegna, ma è la più sensibile in merito all’affidabilità dei
dati trasmessi.
Le caratteristiche dell’UMTS lo rendono poco adatto alle reti di sensori poiché richiede la struttura
di una rete centralizzata cablata (Base Station) ed i dispositivi mobili vengono progettati con un
approccio che non risulta essere power-aware, visto che i dispositivi mobili come i cellulari sono
usualmente alimentati con unità di potenza che vengono ricaricate e/o sostituite spesso. L’unica
applicazione possibile dell’UMTS fra quelle delineate nei paragrafi precedenti è il controllo
ambientale in cui sia necessario coprire aree molto vaste.
Infine, l’utilizzo dell’UMTS così come i servizi di telefonia mobile GSM presentano le
problematiche relative alla gestione di modalità di abbonamento verso provider che forniscono il
servizio di rete, con i conseguenti costi di utilizzo.
WiMAX
WiMAX è l’acronimo di WorldWide Interoperability for Microwave Access, nome commerciale
associato allo standard IEEE 802.16[15] nelle sue diverse revisioni. Il gruppo di ricerca WiMAX
all’interno dello standard IEEE 802.16 ricopre un ruolo analogo a quello della Wi-fi alliance per lo
standard 802.11, in altre parole si propone di standardizzare i protocolli e le definizioni hardware
per consentire l’interoperabilità dei dispositivi prodotti da diversi costruttori. Uno degli obiettivi di
WiMAX è rendere disponibili su aree estese elevati data rate, in particolare viene prevista una
capacità di 75 Mbit/s per ogni base station raggiungibile utilizzando un canale di 20 MHz nelle
condizione di propagazione ideale del segnale. Va notato che alcune legislazioni nazionali limitano
l’ampiezza del canale a 10 MHz, condizionando quindi la capacità delle singole base station; per
quel che concerne le aree in grado di essere coperte da una singola antenna possono arrivare anche a
50 km con data rate di alcuni Mbit/s, nell’utilizzo indoor possono essere raggiunte distanze di 15
km utilizzando antenne direzionali in line of sight, mentre solamente di 5km in caso di condizioni
che non consentano di rispettare il line of sight.
Figura 14: Possibile integrazione di WiMAX con altre tecnologie.
I primi prodotti conformi a WiMAX arriveranno sul mercato nella seconda metà del 2005, anche se
per avere dispositivi completamente funzionali in grado di raggiungere i data rate e le distanze
descritte in precedenza si dovrà attendere fino al 2006[36].
WiMAX risulta essere una tecnologia in grado di integrare perfettamente le reti mobili e fisse
preesistenti, in Figura 14 viene proposto un possibile impiego di questo standard combinato con reti
fisse come le LAN e mobili come UMTS.
Le possibili applicazioni del WiMAX vanno dalla creazione di infrastrutture di rete aziendali con
aree di copertura elevata, all’integrazione delle reti locali WIFI e mobili GPRS/UMTS, inoltre può
essere impiegata anche per superare il problema dell’ultimo miglio nel campo delle
telecomunicazioni broadband veicolate su rame.
Alcune previsioni di mercato[36], infatti, stimano la penetrazione del broadband negli stati più
evoluti fino all’80%. La rimanente percentuale deve essere suddivisa fra zone che non possono
essere raggiunte dal servizio nell’ordine del 15% e utenti che non sono interessati al broadband. Le
zone non coperte dal servizio a causa di difficoltà tecnologiche legate alla scarsa qualità del
doppino in rame, dovuto in primo luogo alla distanza dalle centrali di rete, possono essere raggiunte
dal segnale WiMAX mediante opportune base station ed antenne direzionali consentendo la
diffusione del broadband anche in zone rurali dove altrimenti non potrebbe essere portato.
L’applicazione nell’ambito della sensoristica del WiMAX soffre delle stesse limitazioni
dell’UMTS, per quel che concerne consumi e transfer rate sovradimensionati per l’applicazione.
Passiamo ora ad analizzare le tecnologie emergenti nel campo delle reti wireless di dimensioni
personali che abbiamo indicato come WPAN Wireless Personal Area Network.
UWB
Il nome deriva dall’acronimo Ultra Wide Band, il termine nasce all’interno della ricerca di nuove
tecnologie di telecomunicazione in campo militare nei primi anni 60, recentemente questo termine è
stato ripreso nel 2002 dall’FCC per indicare:
“… Any radio technology with a spectrum that occupies greater than 20 percent of the
center frequency or a minimum of 500MHz”[37]
In altre parole indica tecnologie che occupano una banda elevata dello spettro radio, questa
consente ampiezze di banda molto elevate che consentono ad UWB di essere il candidato ideale per
l’implementazione wireless degli standard USB 2.0 e Firewire (IEEE 1394), consentendo di
raggiungere transfer rate fino a 480 Mbit/s.
I primi prodotti basati su UWB sono attesi sul mercato per la seconda metà del 2005 anche se come
per WiMAX, volumi produttivi considerevoli verranno raggiunti solo nel corso del 2006. Nel corso
del 2002 l’FCC ha allocato la banda per applicazioni UWB fra i 3.1 ed i 7.5 GHz
In realtà i dispositivi non mirano a coprire l’intero range di frequenze disponibili, ma l’FCC ha
definito un minimo di 500Mhz con livelli di 10dB per ciascun dispositivo.
La flessibilità prevista dalle specifiche lascia completa libertà agli sviluppatori nell’utilizzo di un
subset delle frequenze disponibili per poter rispettare altri parametri di progetto quali il
contenimento dei consumi, l’ottimizzazione delle prestazioni del sistema e le difficoltà di progetto.
La comunicazione sul canale viene effettuata utilizzando tecniche avanzate di modulazione OFDM
Ortogonal Frequency Division Multiplexing in cui l’informazione viene trasmessa utilizzando più
portanti poste a frequenze specifiche, in questo modo è possibile ottenere la capacità di canale
desiderata.
Sulla base delle tecnologie CMOS oggi disponibili, l’uso dello spettro compreso fra i 3.1 e 4.8 Ghz
permette di implementare soluzioni UWB con tre sottobande di 500 MHz ed evitando problemi di
interferenza con gli standard Wifi 802.11 che allocano bande aldisopra dei 5Ghz (802.11a[13]).
Le tecniche di modulazione MB-OFDM MultiBand OFDM sono state studiate per garantire la
possibilità di costruire dispositivi integrati di contenuta complessità e consumi contenuti, la vita
media di un dispositivo UWB dovrebbe garantire un minimo di due ore di continuo funzionamento
utilizzando normali batterie alcaline.
La tecnologia UWB è alla base dello sviluppo del Wireless USB, questo marchio risulta essere un
marchio registrato dalla Cypress Semiconductor Corporation che come avremo modo di analizzare
diffusamente nel capitolo II nulla ha a che vedere con l’UWB. Infatti il wireless USB che utilizza
UWB è citato al momento solo in alcune white paper redatte dalla Intel corporation in cui vengono
delineati solo i settori applicativi di questa tecnologia nel campo del Multimedia Home
Entertainment con transfer rate pari a 480 Mbit/s, ma non vengono rilasciate specifiche tecniche
aggiuntive. In Figura 15 viene rappresentato lo scenario applicativo di questa tecnologia ed il suo
rapporto con le tecnologie di rete già esistenti.
In conclusione potremo affermare che le tecnologie UWB presentano degli aspetti interessanti per il
sensor networking visto che possono essere implementate delle strategie di power saving, ma per il
momento a causa della mancanza di maggiori informazioni in particolar modo per quel che
concerne i consumi, essa non può essere presa in considerazione, inoltre anche in presenza di
consumi contenuti osserviamo che il data rate proposto da queste tecnologie è ben al di sopra delle
caratteristiche richieste da una rete di sensori che misuri grandezze come temperatura o pressione.
Figura 15: Possibile integrazione di Wireless USB (Intel) con altre tecnologie.
ZigBee
Come tutti i membri della famiglia IEEE 802 all’interno dello standard IEEE 802.15.4[18] vengono
definiti solo i livelli fisico e di accesso al canale MAC, i livelli superiori sono stati definiti da un
consorzio di aziende che garantiscono l’interoperabilità del protocollo sotto il nome di ZigBee.
ZigBee quindi definisce l’intero stack protocollare che descrive una possibile realizzazione di rete
LR-WPAN. La banda di comunicazione utilizzata è quella ISM nell’intorno dei 2.4 GHz, anche se
lo standard 802.15.4 prevede che possano essere utilizzate anche le bande comprese fra 868-868.6
MHz consentendo l’allocazione di un canale di comunicazione in grado di garantire 20 kb/s, 902928 MHz che permettono la definizione di 10 canali con data rate pari 40 kb/s ed infine come
dicevamo prima la banda ISM 2.4-2.48 GHz all’interno della quale possiamo individuare 16 canali
con data rate pari a 250kb/s.
La modulazione primaria utilizzata si basa sul Binary Phase Shift Keying (BPSK), nelle bande
868/915MHz e Offset Phase Shift Keying nella banda a 2.4 GHz, entrambe queste codifiche
vengono poi espanse all’interno dello spettro utilizzando DSSS 1 , utilizzando 16 codici di spreading
di lunghezza pari a 32 bit ciascuno dei quali è in grado di codificare 4 bit di informazione, ciò
corrisponde ad un symbol rate pari a 62.5 Ksymbol/s . Il Data rate massimo è pari a 250 kbit/s esso
risulta essere relativamente elevato e consente di realizzare applicazioni con bassi duty-cycle in
modo da poter contenere i consumi, ma al contempo avere una elevata qualità di servizio, ciò è
possibile solo se siamo in grado di trasmettere e ricevere relativamente grandi quantità di dati in
tempi ristretti[23].
La tecnologia d’accesso al canale è simile a quella vista per Wifi essa infatti prevede l’utilizzo di
CSMA/CA, in cui ogni dispositivo prima di iniziare una sessione di comunicazione si pone in
ascolto del canale e se questo non è utilizzato da altri inizia la comunicazione, le topologie di rete
implementabili mediante ZigBee sono tutte quelle viste nel paragrafo 1.2 quindi potremo costruire
reti a stella, Mesh o ad albero. Inoltre, ciascun nodo ZigBee può funzionare in due diverse modalità
FDD Full function Device o RFD Reduced Function Device. Nel primo caso il nodo è in grado di
svolgere funzioni di coordinatore all’interno della rete, nel secondo invece non ha queste possibilità
e ciò permette di creare dispositivi meno complessi e quindi meno costosi. Similmente a quanto
visto per le reti Wifi, la topologia a stella prevede due distinte modalità di funzionamento beacon e
non beacon. La prima prevede che la rete venga gestita interamente dal coordinatore che si
occuperà della gestione di tutti i messaggi di tipo master/slave, nel secondo caso invece il controllo
è più vicino ad un approccio producer/consumer. Ciascun Nodo viene individuato in modo univoco
attraverso un indirizzo a 64 bit, in realtà però nella creazione della rete ad ogni nodo viene
assegnato uno short address progressivo di 16 bit, il numero di dispositivi indirizzabili all’interno
della PAN quindi è limitato a 65536. Il protocollo descritto nello standard prevede che le PAN
possano essere strutture dinamiche dotate di più FDD in cui ogni nodo all’accensione partecipa alla
costituzione della PAN e se non sono presenti coordinatori all’interno della rete il nodo è in grado
di assumerne il ruolo, inoltre è interessante notare che lo standard prevede a livello fisico
l’inserimento di un preambolo di sincronizzazione (4byte), un delimitatore di frame (1byte), un
campo lunghezza dati (1byte) ed infine una Frame Check Sequence (FCS).
Valutazioni sperimentali[23] effettuate con transceiver Motorola MC13192 in package QFN, fattore
di forma che consente l’elevata ingegnerizzazione degli smart transducer così implementati, hanno
mostrato consumi molto contenuti, con correnti di picco nell’ordine dei 30mA, ciò rende ZigBee il
candidato ideale per una Wireless Sensor Network, sia per quanto riguarda le prestazioni,
dimensioni dell’elettronica e consumi. Gli unici fattori che dovremo prendere in considerazione
1
Direct Sequence Spread Spectrum, rimandiamo al capitolo II per la descrizione tecnica di questa modalità di
modulazione.
sono i costi di realizzazione che a causa della relativa novità dello standard non si sono ancora
assestati.