Reti di sensori: dalla teoria alla pratica - DEIzanella/PAPER/CR_2006/Notiziario06_RetiSens.pdf ·...

104 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 15 n. 1 - Giugno 2006

Reti di sensori:dalla teoria alla pratica

Le reti radio di sensori costituiscono una famiglia molto vasta di sistemi chepossono differenziarsi in numerosi aspetti, pur presentando alcune similaritànelle caratteristiche principali. L’elemento di base di tali reti è il “nodo senso-re,” termine generico con cui si indica un insieme di dispositivi estremamen-te versatili e dalle dimensioni generalmente ridotte, studiati principalmenteallo scopo di permettere l'osservazione del mondo fisico. L’interconnessionedi tali nodi per mezzo di tecnologie radio, unitamente allo sviluppo di un’ar-chitettura protocollare che consenta la cooperazione tra le diverse entità,amplifica esponenzialmente le capacità dei singoli elementi e apre la stradaad un insieme vastissimo di nuove applicazioni. Tuttavia, la realizzazione diquesti scenari richiede la risoluzione di numerosi problemi che sono oggettodi studio da parte di molte università ed enti di ricerca di tutto il mondo.In questo articolo si presentano le potenzialità e le caratteristiche di una retedi sensori, descrivendo alcuni degli scenari applicativi che potrebbero esse-re realizzati per mezzo di questo nuovo paradigma di comunicazione. Perdare concretezza alla trattazione, quindi, si descrivono in maggior dettaglio lapiattaforma sperimentale per reti di sensori in uso al gruppo SIGNET e sidiscutono brevemente alcuni dei primi risultati ottenuti per mezzo di tale test-bed. La trattazione è accompagnata da alcuni riquadri di approfondimentoche offrono maggiori dettagli su alcuni degli argomenti toccati nell’articolo.

1. Introduzione

All’Università di Padova, le tematiche relativealle reti radio e, in particolare, alle reti di sensorisono da anni oggetto di studio dei ricercatori dellaboratorio SIGNET (Special Interest Group onNETworking), presso il Dipartimento di Ingegneriadell’Informazione (DEI). L’attività di ricerca si inseri-sce nel contesto di diversi progetti Europei sullereti di sensori e su tematiche affini, consentendo aSIGNET di mantenere contatto con le più impor-tanti realtà europee (ed extra europee) sul settore.Recentemente, inoltre, il laboratorio SIGNET si èdotato di una piattaforma sperimentale per nodisensore e ha dato inizio all’implementazione e spe-rimentazione “sul campo” di soluzioni e servizi per

reti di sensori. Questa attività sperimentale contri-buisce a rafforzare le competenze del gruppo sulsettore, arricchendo le conoscenze teoriche con lasensibilità derivante dall’esperienza pratica acqui-sita “sul campo”.

Entrando nel tema, una rete radio di sensori, oWSN (Wireless Sensor Network) è un sistema com-plesso che nasce dalla cooperazione tra diversioggetti elementari, detti nodo sensore (figura 1).

S i t rat ta, nel la sostanza, d i ver i e propr is istemi embedded , d isposi t iv i e let t ronic i ingrado di svolgere in modo autonomo un certoinsieme di operazioni più o meno complesse, diinteragire con l'ambiente circostante e di coope-rare tra loro per mezzo di opportune interfaccedi comunicazione.

TECNOLOGIE

ANDREA ZANELLA

MICHELE ZORZI

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/'')/0)1''234563'),7

ZANELLA › ZORZI • Reti di sensori: dalla teoria alla pratica

NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 15 n. 1 - Giugno 2006 105

Ed è proprio l’interconnessione di questi oggettiin una WSN che amplia incredibilmente le poten-zialità del sistema e apre la strada alla realizza-zione di servizi avanzati e innovativi a partire dallefunzionalità elementari fornite dai nodi sensori.

I possibili campi di impiego delle WSN sononumerosi ed eterogenei. Premesso che in questoarticolo non si tratterà dettagliatamente dell’appli-cazione delle WSN al settore delle telecomunica-zioni, eccezion fatta per la citazione alla tecnologiaZigBee e alle implicazioni di comunicazione che sihanno negl i Smart Environments dove sonoappunto impiegati dei sensori, è utile precisare checi sono molt i contesti in cui le WSN trovanoimpiego. Ad esempio nel contesto della tutelaambientale, le WSN possono essere utilizzate perrivelare tempestivamente incendi boschivi, oppureper monitorare l'inquinamento di falde acquifere elaghi o, ancora, per controllare aree a rischio, comediscariche, impianti industriali e chimici, centralinucleari. Un altro loro possibile impiego è nelcampo della domotica, dove si possono sfruttare laWSN per realizzare un’interazione tra ambiente epersona, facendo in modo che l’ambiente reagiscae si adattati alla presenza e alle esigenze dell’u-tente in modo automatico. Scenari futuristici, inol-tre, prevedono l'uti l izzo delle WSN in ambitomedico, attraverso l'impianto nell'organismo diminuscoli nodi sensore in grado di monitorare iparametri vitali della persona e somministrare laterapia farmacologica in modo autonomo, quandonecessario.

Le potenzialità di questo nuovo paradigma dicomunicazione, unitamente alle problematiche adesso connesse, sono da alcuni anni oggetto di stu-dio nella comunità scientifica internazionale. LaComunità Europea ha recepito, con qualcheritardo, l'importanza di queste nuove tecnologie eha dato impulso allo sviluppo del settore finan-ziando diversi progetti di ricerca, a cui partecipanogrosse aziende operanti nel settore del l ’ ICT(Information and Communication Technology) ealcune tra le maggior i universi tà europee.

L'Università di Padova, in particolare, ha presoparte a diversi progetti europei per mezzo dei ricer-catori del gruppo SIGNET [1] afferente al DEI.L'attività di ricerca riguarda prevalentemente lo svi-luppo e l'analisi di protocolli per la creazione e lagestione di WSN, spaziando dalle strategie diaccesso al mezzo e instradamento, alle tecniche dielaborazione dell'informazione (data fusion), ai pro-tocolli adattabili al contesto (context-aware proto-col). Recentemente, il gruppo ha acquisito diversedecine di nodi sensore della famiglia EyesIFX v2,prodotti dalla Infineon, con i quali è stato possibilepredisporre un testbed su cui provare alcune dellesoluzioni proposte in letteratura o sviluppate dairicercatori del gruppo stesso. In questo modo, l’at-tività di ricerca si è arricchita di un ulteriore metododi indagine, basato su misure empiriche e prove sulcampo, che va ad affiancare e completare gli studidi natura teorica e simulativi, più tipicamente acca-demici.

Nel seguito di questo articolo si descriverà dap-prima l'architettura di base di un nodo sensore, alfine di chiarire quali siano le potenzialità e i limiti diuna rete di sensori. Quindi, si presenteranno alcunidei possibili scenari applicativi per WSN, ponendoliin relazione con i progetti pilota finanziati dallaComunità Europea su queste tematiche.Successivamente si considereranno gli aspettirelativi alla progettazione di una WSN, facendo unrapido riferimento ad alcune delle soluzioni pre-senti sul mercato. Infine, ci si soffermerà sulla piat-taforma sperimentale realizzata nel laboratorioSIGNET e si presenteranno brevemente alcuni deirisultati ottenuti per mezzo del testbed sperimen-tale. Il testo è accompagnato da tre riquadri diapprofondimento, dedicati rispettivamente al pro-getto europeo Embedded WiSeNts [2] sui sistemidi oggetti cooperanti, ai sistemi operativi per reti disensori e alla piattaforma EyesIFX v2, utilizzatenella rete sperimentale di SIGNET.

2. Architettura di un nodo sensore

Per comprendere appieno le potenzialità e ilimiti di una WSN è necessario descrivere almenogenericamente l’architettura del nodo sensore. Unarappresentazione di principio è data in figura 2,

FIGURA 1› Alcune tipologie di nodo per reti di sensori.

Traduttore(i) Attuatore(i)

Unità di controllo

Memoria

Unità dicomunicazione

FIGURA 2› Architettura di principio di un nodo sensore.

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563'),-



dove si evidenziano cinque blocchi funzionali: tra-sduttori, attuatori, unità di elaborazione e controllo,memoria, ed unità di comunicazione.

2.1 Trasduttori e attuatori

Il trasduttore è un dispositivo in grado di misu-rare delle grandezze fisiche o ambientali di diversanatura trasformandole in un segnale elettricoopportuno. Poiché questo tipo di operazione, ininglese, viene detta “sensing,” i trasduttori ven-gono spesso chiamati sensori. Questa terminologiapuò originare confusione, in quanto il termine sen-sore viene comunemente utilizzato sia per l’unità disensing vera e propria, sia per il sistema embed-ded (nodo sensore) nel suo complesso. Per evitareambiguità, nel seguito dell'articolo si userà l’e-spressione “nodo sensore” per riferirsi all'interapiattaforma hardware, mentre il termine “sensore”verrà riservato ai soli elementi di trasduzione.

I sensori che si possono trovare in commerciosono numerosissimi e includono trasduttori di tem-peratura, umidità, intensità luminosa, e pressione,come anche sensori per il rilevamento di fumo,sostanze tossiche (disperse nell’aria o nel suolo) oradioattività, telecamere, sensori di prossimità ecosì via. Un sensore, quindi, è in grado di rivelaree/o misurare grandezze ambientali, senza tuttaviapoterle modificare. Un ruolo duale è svolto dagliattuatori, dispositivi in grado di agire sull’ambientecircostante in diversi modi. Esempi di attuatorisono bracci meccanici, valvole, irrigatori, ma anchesirene d’allarme, altoparlanti, videoproiettori, calo-riferi, … .

Un nodo sensore può comprendere un numerovariabile di trasduttori e attuatori, anche di diversanatura, che possono essere combinati e utilizzatinei modi più disparati. L’equipaggiamento del nodosensore, quindi, ne determina le funzionalità, maanche il costo, il consumo energetico e l’ingombro.

2.2 Unità di elaborazione e controllo

L'unità di elaborazione contiene un micropro-cessore, o CPU (Central Processing Unit), che for-nisce l'intelligenza necessaria al dispositivo peroperare in modo autonomo. Il ruolo della CPU puòessere svolto da diverse tipologie di circuiti logici.Comunemente la scelta ricade su un microcontrol-lore a basso consumo, ma è possibile impiegareanche un FPGA (Field Programmable Gate Array),un DSP (Digital Signal Processing) o un ASIC(Application Specific Integrated Circuit), anche asupporto del microprocessore per diminuirne ilcarico di calcolo.

Oltre al microprocessore, l'unità di elaborazionecontiene un convertitore anologico-digitale (ADC),utilizzato per tradurre i segnali elettrici generati daitrasduttori in forma digitale in modo da consentirnel'elaborazione software. Analogamente, è spessopresente un’unità duale, ovvero un convertitoredigitale-analogico (DAC), che trasforma segnalinumerici generati dal microprocessore in segnalielettrici utilizzati per pilotare gli attuatori.

2.3 Memoria

I l microprocessore è spesso integrato conalcuni blocchi di memoria ROM (Read OnlyMemory) e RAM (Random Access Memory), utiliz-zati per ospitare il codice eseguibile del sistemaoperativo e dell’applicazione, nonché i dati acqui-siti dai sensori ed elaborati dall’applicazione. Lagestione e l’utilizzo delle memorie è una fonte diconsumo energetico, pertanto i blocchi di memoriaintegrati hanno capacità ridotte, limitate a pochedecine di kbyte. Alcune piattaforme, tuttavia, pos-sono essere dotate di memorie Flash aggiuntive,connesse al microprocessore per mezzo di inter-facce seriali. Queste memorie, solitamente di capa-cità superiore rispetto alle memorie integrate con ilmicroprocessore, possono essere utilizzate percontenere parametri per la configurazione del nodoo altri dati. Chiaramente, l’utilizzo delle memorieaggiuntive aumenta la potenzialità del nodo, mainfluisce negativamente sui consumi energetici.

2.4 Unità di comunicazione

La comunicazione tra nodi sensori si realizza tipi-camente per mezzo di segnali radio anche se, peralcune applicazioni, sono possibili soluzioni alterna-tive che impiegano comunicazioni ottiche o ultra-suoni, come nel caso delle reti di sensori subacquee.Solitamente tra tutti i componenti del nodo, il chipradio è il dispositivo che consuma la maggior partedell'energia. Per ridurre il costo e il consumo energe-tico dei nodi, si utilizzano tipicamente modulazioniben consolidate e di bassa complessità, a discapitodella capacità trasmissiva che è spesso limitata aqualche decina di kbit/s. Per limitare ulteriormente ilcosto finale del dispositivo, la modulazione radioavviene normalmente nelle bande comprese tra gli868-870 MHz o nelle bande ISM (Industrial ScientificMedical) attorno ai 900 MHz e ai 2,4 GHz, per lequali non è richiesta licenza governativa.

2.5 Software

Oltre all’hardware, la piattaforma deve ospitareil software necessario a gestire la comunicazionetra i diversi nodi e a realizzare i servizi più avanzati.Sfortunatamente, le peculiarità delle reti di sensorie le caratteristiche dei nodi rendono difficilmenteriutilizzabile il software disponibile in commercio erichiedono lo sviluppo di soluzioni progettateappositamente per la piattaforma utilizzata e per laspecifica applicazione da realizzare. Questa argo-mentazione vale anche per il sistema operativo, acui è richiesto di soddisfare i seguenti requisiti:• ridottissima occupazione di memoria;• basso consumo di energia durante l'esecuzione

dei processi;• consumo quasi nullo durante lo stato di inatti-

vità (idle);• gestione della concorrenza (accesso simultaneo

di più thread alla stessa risorsa);• supporto efficiente (in termini di consumo ener-

getico) ai protocolli di rete;

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563'),/



• facile accesso alle funzionalità di basso livellodel la piattaforma per mezzo di interfacceastratte.Sulla base di queste considerazioni generali,

sono stati recentemente proposti alcuni sistemioperativi appositamente disegnati per WSN, tra cuiil più noto e diffuso è TinyOS [3]. Questo sistemaoperativo è stato sviluppato nell’Università diCalifornia, a Berkeley, a supporto della piattaformasperimentale Tmote Sky, proveniente dagli stessilaboratori. Il successo di TinyOS è dovuto alla tem-pestività con cui il codice è stato sviluppato e resopubblico, nonché alla posizione di prestigio e rile-vanza internazionale di cui gode l’Università diBerkeley. Tuttavia, sono stati recentemente propo-sti altri sistemi operativi per WSN che offronovalide alternative a TinyOS (si veda il riquadro:“Quando il Sistema Operativo si fa minuscolo”).

Generalmente, lo sviluppo del sistema operativoe delle applicazioni avviene per mezzo di linguaggidi programmazione derivati dal C, che vengonoquindi compilati per lo specifico microprocessoredel nodo sensore utilizzato. Tuttavia, è quasi sem-pre possibile ricorrere alla programmazione di

alcuni moduli nel linguaggio Assembly del micro-processore, se si desidera spingere al massimo leprestazione del codice. Come per il sistema ope-rativo, il software che definisce i servizi più avan-zati della WSN deve occupare pochissimo spaziodi memoria e deve risultare quanto più possibileefficiente in termini di consumi energetici. Questocomporta la necessità di progettare l’applicazionein modo da minimizzare quanto più possibile l’uti-lizzo delle diverse interfacce (radio, trasduttori,attuatori) e del processore, cosa che si traducespesso in un tradeoff tra efficienza energetica delsistema e qualità del servizio offerto.

3. Scenari applicativi e progetti europei

Come spesso accade nel contesto delle reti ditelecomunicazioni, lo spunto iniziale alla ricerca nelsettore delle WSN è venuto dalle applicazioni inambito militare. Uno degli utilizzi proposti in questocontesto consiste nel monitoraggio di una vastaarea geografica per mezzo di nodi sensori, distri-buiti in modo più o meno uniforme sul territorio da

... QUANDO ILSISTEMA OPERATIVOSI FA MINUSCOLO ...

TinyOS è un sistema operativo open-source sviluppato dall'università diBerkeley, in California. In sostanza,TinyOS consiste in alcuni modulisoftware che realizzano le funziona-lità di base per il controllo del nodosensore, come l’accesso ai registridel micro-controllore, la scrittura elettura dal la memoria EPROM, lagestione dell’interfaccia radio per latrasmissione e la ricezione dei dati, lagenerazione di numeri pseudo-casuali, e altro ancora. Non esiste unkernel che gestisce le risorse dispo-nibili, dividendole tra più applicazioni,ma solo uno scheduler che si limita aeseguire in sequenza i task, secondouna politica preemptive First In FirstOut (FIFO). In altri termini, i vari tasksono eseguiti nell’ordine con cui sonogenerati (FIFO), consentendo tuttaviaallo scheduler di interrompere l’ese-cuzione di un task nel caso si verifichiun evento con prior i tà maggiore

(preemtpion). Quando non vi sono piùfunzioni in attesa di esecuzione loscheduler porta i l processore ariposo e attende la segnalazione di unnuovo evento per riprendere l'esecu-zione. I moduli elementari forniti dalsistema operativo possono quindivenire utilizzati dai programmatoriper sviluppare applicazioni o funzio-nalità avanzate.Il codice di TinyOS è scritto in nesC,una variante del linguaggio C conce-pita per sistemi embedded e ottimiz-zata per la programmazione dei sen-sori [26]. NesC è anche utilizzato perlo sviluppo delle applicazioni, ren-dendo così possibile un’integrazionemolto spinta con il sistema operativo.Nel codice eseguibi le che v ienegenerato dal compilatore, inoltre,vengono inclusi solo i moduli delsistema operativo effettivamente uti-l izzati dall’applicazione. Ciò con-sente di ridurre al minimo l’ingombrodel programma che dovrà essere tra-sferito ed eseguito dal nodo sensore,condizione indispensabile in sistemicon uno spazio di memoria limitato aqualche decina di kbyte.Pertanto, TinyOS si differenzia inmaniera sostanziale dai sistemi ope-rativi tradizionali (general purpose),integrandosi direttamente con leapplicazioni sviluppate. Esso sempli-fica notevolmente lo sviluppo di appli-

cazioni per WSN, mascherando le fun-zionalità di più basso livello della piat-taforma per consentire al programma-tore di concentrarsi sugli aspetti d'in-teresse. Tuttavia, per raggiungere pre-stazioni elevate è necessaria un’ana-lisi minuziosa delle operazioni ele-mentari eseguite dal programma, alfine di individuare le criticità.Nonostante TinyOS sia il più popo-lare e diffuso sistema operativo perWSN, non è di certo l’unico e, a diredi molt i , neppure i l migl iore.Un’alternativa a TinyOS è offerta daContiki, un sistema operativo opensource per WSN [27], sviluppato prin-cipalmente da SICS (SwedishInstitute of Computer Science) e daipartner del progetto europeo RUNES[28]. A differenza di TinyOS, Contikisupporta il multi-threading, vale adire l’esecuzione parallela di più pro-cessi, per mezzo del modulo prototh-reads. Si tratta di una versione dimutlithreading ottimizzata per piat-taforme con limitate capacità di cal-colo e memoria, che facilità la pro-grammazione dei nodi e del sistemaoperativo stesso. Ad oggi, tuttavia, ilsoftware disponibile per Contiki èmolto più scarno di quello svilup-pato per TinyOS, anche se i promo-tori di Contiki stanno lavorando ala-cremente per co lmare questadistanza.

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563'),*



controllore, in grado di rilevare la presenza diagenti chimici o patogeni nell'aria oppure i movi-ment i di t ruppe nemiche sul terr i tor io.Normalmente, i nodi sensore sono alimentati a bat-terie o a celle solari, pertanto hanno un'autonomiaenergetica ridotta e non sono in grado di trasmet-tere il segnale radio a grandi distanze. Per questo,la WSN può essere dotata di un certo numero dinodi speciali, detti sink, che possono avere capa-cità di elaborazione e trasmissione di gran lungasuperiori a quelle dei nodi sensore. Quindi, i datiraccolti dai nodi sensore vengono propagati conuna modalità multi-tratta (multihop) fino al sink piùprossimo, dove vengono elaborati e trasmessi alcentro di controllo per mezzo di sistemi di comuni-cazione a lungo raggio.

È interessante osservare che, in questo scena-rio, l'informazione nasce dalla cooperazione tra idiversi elementi della rete. Ad esempio, l'identifi-caz ione d i una t ruppa nemica su l ter r i tor ioavviene correlando assieme le indicazioni prove-nienti da diversi nodi sensore disposti nella stessaarea che rivelano simultaneamente la presenza dimovimento nel settore monitorato. La segnala-zione di un nodo, presa singolarmente, non èsignificativa in quanto potrebbe essere dovuto alri levamento di un evento spurio (causato, adesempio, dal passaggio di un animale selvatico inprossimità al nodo) oppure a un malfunziona-mento del nodo stesso.

Siamo quindi di fronte a un nuovo paradigma dicomunicazione, in cui l’obiettivo si sposta dal tra-sporto affidabile di informazioni generate tra duenodi qualsiasi della rete, al recapito di un numero“sufficiente” di dati ad un insieme sottoinsiemespecifico e limitato di nodi, i sink, al fine di consen-tire il riconoscimento dell’evento da monitorare.Alcuni delle grandezze misurate dai nodi sensorepossono essere fuse con altre, oppure scartate operse, senza per questo pregiudicare il correttofunzionamento della rete. Di contro, in questo tipodi applicazioni, i nodi non possono essere alimen-tati e controllati singolarmente. È quindi indispen-sabile che il sistema risulti quanto più possibileefficiente in termini di consumi energetici e robustoalle variazioni topologiche della rete, causate dalladistruzione di alcuni nodi o dall'esaurimento dellebatterie.

Questo nuovo paradigma di comunicazionenon ha tardato a trovare diverse applicazionianche in ambiti civili, ad esempio nel contesto delmonitoraggio ambientale, su cui si concentraanche il progetto europeo GoodFood [4]. In que-sto caso, la WSN è utilizzata al fine di monitoraree controllare le condizioni ambientali di coltiva-zioni specifiche, sia al chiuso (indoor) che all'a-perto (outdoor). L'area da supervisionare puòvariare dalle centinaia di metri quadrati di unaserra, a migl iaia di chi lometri quadrati di unlatifondo, e il periodo di osservazione può esten-dersi anche per alcuni anni. Sensori distribuiti sulterreno coltivato possono rivelare periodicamenteumidità dell'aria e del suolo, temperatura, inten-sità della luce, concentrazione del fertilizzante, e

così via e riportare tali letture a un nodo control-lore. Questo nodo correla i dati ricevuti dai varisensori e traccia l'evoluzione delle condizioniambientali, determinando le azioni da intrapren-dere. Quindi, attiva gli attuatori opportuni, comeannaffiatoi, tende parasole (per oscurare unaserra ) , umid i f icator i d 'ar ia , t rasmettendo icomandi per mezzo della WSN.

Oltre a GoodFood, l’utilizzo delle WSN per aiu-tare l'agricoltura e l'ambiente è oggetto di nume-rosi altri progetti europei. Ad esempio, Hoghtrob [5]si prefigge l'obiettivo di monitorare delle scrofe diun allevamento, per mezzo di sensori applicati aglianimali. Il sistema permettere di tracciare l'anda-mento di temperatura e pressione sanguigna deglianimali, nonché di ricostruirne spostamenti e abitu-dini. In tal modo, è possibile ricavare alcune impor-tanti informazioni, quali il periodo di fertilità deidiversi animali e la presenza di traumi (come unazampa rotta) o di alcune malattie che determininovariazioni nella postura o nel movimento naturaledegli animali.

Il progetto GlacsWeb [6], invece, si propone dicontrollare il comportamento dei ghiacciai permezzo di diversi sensori collocati sulla superficie eall'interno del ghiaccio. I dati collezionati dai sen-sori (temperatura, pressione, movimenti subgla-ciali) vengono trasmessi a stazioni di monitoraggiosulla superficie e correlati in modo da costruire unarete intelligente di monitoraggio.

Un altro possibile impiego delle WSN consistenel monitoraggio dell'integrità di strutture civili,quali edifici, ponti, strade, dighe e così via. In que-sto caso, i sensori sono posizionati su punti strate-gici della struttura e rilevano variazioni di pressionee posizionamento rispetto a dei punti di riferimentoe agli altri nodi. I sensori possono rilevare i datiperiodicamente e trasmetterli a un nodo di con-trollo che, correlando le varie informazioni, è ingrado di individuare qualsiasi variazione significa-tiva nella forma della struttura. Sustainable Bridges[7] è un esempio di progetto europeo che sioccupa di questa tematica.

Scenari applicativi di più ampio respiro sonoquelli che contemplano l'impiego di WSN nella rea-lizzazione dei cosiddetti Ambienti Intelligenti, oSmart Environments, argomento di cui si occupa ilprogetto Smart Surroundings [8]. L'idea di base èdi costruire un ambiente in grado di adattarsi alleesigenze specifiche delle persone che lo vivono.Per esempio, un'area che ospita un'esposizioneartistica potrebbe essere equipaggiata con nodisensore in grado di determinare la posizione di unvisitatore e fornire (su richiesta o spontaneamente)un insieme di informazioni dettagliate sulle opere inprossimità dell'utente o la direzione per i servizi piùvicini con accesso per disabili.

Chiaramente, quelli descritti rappresentano soloalcuni dei possibili scenari applicativi per WSN, maoffrono un’idea della molteplicità ed eterogeneità diservizi che possono essere realizzati con questetecnologie. Una visione d’insieme delle possibiliapplicazioni in relazione all'estensione spazialedella rete e alla densità dei nodi nell'area richiesta

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563'),7



per soddisfare i requisiti di qualità del servizio èdata dal grafico di figura 3.

Una descrizione più completa delle attività diricerca a livello europeo ed extra europeo nel con-testo dei sistemi di oggetti cooperanti si può tro-vare in [9], documento redatto dal consorzioEmbedded WiSeNts, dove viene vengono descrittidiversi progetti di ricerca europei e, sulla base diquesta indagine, viene proposta una classifica-zione delle varie aree tematiche interessate dallosviluppo di soluzioni basate su WSN e un’indica-zione dei settori in cui vi maggior è spazio per losviluppo di nuove soluzioni. Inoltre, applicazioniche potrebbero essere realizzate in un futuro nontroppo lontano, sono descritte in [10], un altrodocumento pubblicato dal consorzio che raccogliele migliori idee emerse nell’ambito del concorso“Sentient Competition,” organizzato dal consorziostesso, e avente come scopo la descrizione di sce-nari applicativi per sistemi basati su oggetti coope-ranti che potrebbero essere resi una realtà nell’arcodel prossimo decennio.

4. Progettazione di una WSN

L’eterogeneità e la limitatezza delle risorse deinodi sensori, in termini di energia, potenza di cal-colo e memoria, richiedono una progettazioneaccurata della struttura e dei protocolli di gestionedella WSN in relazione all'applicazione specifica darealizzare.

Il risultato è lo sviluppo di soluzioni specificata-mente disegnate per l’applicazione per cui i lsistema è concepito e difficilmente adattabili ascenari operativi diversi. Queste caratteristicheostacolano l’abbattimento dei tempi e dei costi di

sviluppo di nuove applicazioni per WSN, rallen-tando di conseguenza la crescita del settore.

Al fine di superare questedifficoltà oggettive, alcunetra le più grosse aziendemanifatturiere operanti nelsettore dell’ICT hanno costi-tuito i l consorzio ZigBeeAlliance che, a partire dalgennaio 2005, ha immessosul mercato ZigBee [11], unasoluzione completa per retidi sensori. ZigBee si basasullo standard IEEE 802.15.4per la trasmissione radio e lagestione del l ’accesso almezzo. Tuttavia, lo stackprotocollare è stato comple-tato con l ’aggiunta disoftware per la creazione direti (anche multi-tratta) e l’in-stradamento. La scelta deiprotocolli per realizzare que-ste funzionalità è stata ope-rata preferendo gli aspetti disemplicità implementativi erobustezza agli aspetti piùprettamente tecnici e presta-zionali, considerando quindi

soluzione ben note proposte nell’ambito delle retiradio ad hoc. Questa strategia ha consentito allaZigBee Alliance di presentare sul mercato unasoluzione completa e operativa in largo anticiporispetto alla concorrenza. ZigBee è indicato pertutte quelle situazioni in cui si richieda la realizza-zione di una semplice WSN in modo automatico edistribuito, senza necessità di sviluppare softwaredi controllo e gestione apposito. Il tallone d’Achilledella tecnologia, invece, secondo alcuni constanel fatto che si tratta di una soluzione a “scatolachiusa” che non consente la gestione a bassolivello della piattaforma e l’ottimizzazione dei pro-tocolli alle esigenze specifiche del sistema che siintende realizzare.

Per realizzare soluzioni specifiche per un certoscenario applicativo è, dunque, necessario ricorread altre piattaforme per reti di sensori, più flessibilinella gestione dei nodi e della pila protocollare.Alcune piattaforme reperibil i sul mercato cherispondono ad una tale esigenza sono Tmote SKY,sviluppata all’Università di Berkley e commercializ-zata dallo spinoff Moteiv Corporation; MICA, pro-dotta e commercia l izzata da CrossBow;EyesIFXv2, prodotta da Infineon nel contesto delprogetto europeo EYES (EnergY Efficient Sensornetworks) [12] e attualmente impiegata in diversereti di sensori sperimentali. Per una panoramicapiù esauriente delle diverse piattaforme per WSNsi può consultare il documento [13] dove, accantoad una descrizione tecnica delle varie soluzioni, sipossono trovare anche alcune considerazioni dicarattere pratico che possono rivelarsi un’utileguida per la scelta della soluzione più adatta alleproprie esigenze.

Oggetto

Fitto

Sparso Persona

StanzaEdific

ioStra

daCittà Stato

MEMSSensore a ultrasuoniInfrarossoVideocameraMicrofonoUmiditàPressioneTemperaturaRumoreVibrazione

Tipi di sensori

Dimensioni

Spazio delle applicazioni

1/km3

1/m3

1/cm3

Densità

Osservazioneambientale

SicurezzaPuntamento

Salute

Marketing

Domotica

FIGURA 3› Spazio delle applicazioni WSN.

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563'),8



La flessibilità nello sviluppo di una soluzione e,quindi, la possibilità di ottimizzare il sistema peruna specifica applicazione, si paga in termini dicomplessità della progettazione e tempi di svi-luppo. Gli aspetti da considerare sono molteplici eriguardano sia le caratteristiche hardware dei nodi,sia la dotazione del software. Di seguito si descri-vono i principali elementi da considerare nel pro-getto di soluzioni per WSN.

• CostoPer potersi svincolare da applicazioni pura-

mente accademiche è indispensabile che l'utilizzodel la WSN sia economicamente convenienterispetto a soluzioni alternative; d'altro canto, solouna produzione di massa dei sensori può abbat-terne i costi e incentivarne l'utilizzo. La speranza èche entro pochi anni il costo di un nodo si riduca aun dollaro, anche se attualmente si è ancora lon-tani da questa previsione. I nodi EyesIFXv2, infatti,costano circa 70 euro, mentre il costo dei nodiTmote-Sky si aggira attorno agl i 80 dol lar i .Tuttavia, la commercializzazione di ZigBee, checondivide lo stesso livello fisico e di accesso almezzo dei nodi Tmote Sky ( IEEE 802.15.4) ,dovrebbe dare un buon impulso alla produzione discala di queste piattaforme, abbattendone rapida-mente il costo. Al costo della piattaforma si devecomunque aggiungere quello di altri moduli, comeGPS (Global Positioning System), alimentatori eattuatori, nonché i costi di sviluppo del software,installazione e manutenzione.

• ConnettivitàGeneralmente si parla di rete connessa se ogni

nodo è in grado di comunicare con qualunquealtro, eventualmente per mezzo di percorsi mul-tihop che richiedono l'inoltro del messaggio daparte di nodi intermedi. In una WSN, tuttavia,questo genere di connettività non è garantito, inquanto i nodi passano lunghi periodi in stato diinattività (sleep) al fine di risparmiare energia,risultando raggiungibili solo in determinati inter-valli di tempo. Inoltre, alcuni nodi possono risul-tare permanentemente fuori disconnessi a causadi guasto o esaurimento delle riserve energetiche.Questo tipo di connettività a intermittenza deveessere attentamente considerata nella progetta-zione dei protocolli di comunicazione e dei mec-canismi di inoltro dei dati che devono risultarerobusti al partizionamento temporaneo e allevariazioni topologiche della rete e alla perdita didati.

• HardwareLa limitata capacità di elaborazione e di memo-

rizzazione dei nodi influenza tutte le scelte legatealla complessità degli algoritmi di comunicazione,localizzazione, instradamento, e così via. Inoltre,per poter essere utilizzati negli ambienti più dispa-rati è necessario che i nodi siano di piccole dimen-sioni e leggeri, cosa non semplice per la presenzadi componenti non facilmente integrabili come bat-teria e antenna.

• Posizionamento dei nodiLa disposizione dei nodi ha un notevole impatto

sulle prestazioni del sistema e sulla connettivitàdella rete e, quindi, va considerata con attenzione.Negli scenari in cui è possibile pianificare con anti-cipo la topologia della rete è solitamente possibilerealizzare algoritmi di gestione più eff icienti.Tuttavia, quando condizioni ambientali o vincoli dialtra natura obbligano ad una distribuzione casualedei nodi, ad esempio lanciandoli da veicoli in volo,allora diventa indispensabile calcolare con accura-tezza il numero di nodi da distribuire sul territorioper garantire un certo livello di connettività e pro-gettare in modo opportuno i protocolli di gestionedella rete.

• MobilitàIn genere le WSN sono caratterizzate da un

basso grado di mobilità. Tuttavia, alcune applica-zioni prevedono che una parte dei nodi della retepossano spostarsi autonomamente, con mezzi pro-pri o perché collocati su oggetti mobili, oppure acausa di eventi esterni. In tal caso si parla più pro-priamente di MANET (Mobile Ad--hoc NETwork).Velocità di spostamento e grado di mobilità influi-scono sulla progettazione di tutti i protocolli digestione e, in particolare, sui protocolli di accessoal mezzo (MAC) e di instradamento [14].

• ScalabilitàIl numero di nodi di cui è composta una rete

può variare da qualche decina a diverse migliaia, aseconda dell'applicazione. Le soluzioni sviluppatedevono, quindi, essere in grado di scalare opportu-namente con il numero di nodi nella rete.

• Elaborazione in tempo realeAlcune applicazioni, come il tracking o il punta-

mento di oggetti, richiedono di elaborare in temporeale (ovvero in un intervallo di tempo sufficiente-mente piccolo) eventi rilevati da diversi nodi. Larapidità nel processing dei dati e la capacità di sin-cronizzare i nodi con una precisione adeguata pos-sono diventare fattori critici nella progettazione deiprotocolli e dei servizi offerti dalla WSN.

• SicurezzaUna WSN può essere soggetta a molteplici tipi

di attacco alla sicurezza. Oltre ai classici problemidi intercettazione e interferenza (jamming) cheaffliggono le comuni reti radio, la natura distribuitadelle WSN le rende fragili rispetto ad altre forme diintrusione, come il tampering, che consiste nell'in-troduzione nella rete di nodi manomessi o estraneiche la rete potrebbe accettare come propri, con-sentendo a questi di alterare o intercettare lecomunicazioni.

• Consumo energeticoUna WSN, nelle sue applicazioni tipiche, si svi-

luppa in ambienti ostili o comunque difficilmenteraggiungibili. Garantire ai nodi un tempo di vita ele-vato è una priorità che può giustificare anche unaparziale riduzione delle prestazioni. Non va dimen-

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563')),



ticato inoltre che le operazioni di sostituzione dellesorgenti di alimentazione, se possibile, è in generemolto costosa in termini economici e, soprattutto,di tempo. Pertanto tutte le soluzioni proposte perreti di sensori dovrebbero essere fortemente orien-tate alla massima efficienza energetica.

5. Ricerca e sperimentazione all'Università di Padova

Le WSN sono da anni argomento di studio per iricercatori del gruppo SIGNET (Special InterestGroup on NETworking), afferente al Dipartimento diIngegneria dell’Informazione (DEI) all’Università diPadova. Il gruppo attualmente si compone di più didieci ricercatori, a cui si vanno ad aggiungerealcuni collaboratori e tecnici laureati che coadiu-vano le attività del laboratorio. Grazie ad unanutrita rete di contatti con le maggiori università eaziende europee e statunitensi, il laboratorio èspesso visitato da ricercatori stranieri con i quali sistabiliscono rapporti di collaborazione scientifica edi scambio reciproco di risorse e conoscenze. Illaboratorio, inoltre, accoglie ogni anno alcunedecine di student i di Ingegner ia del leTelecomunicazioni, impegnati nello sviluppo di tesidi laurea magistrale sulle tematiche di interesse peril gruppo SIGNET.

L’attività scientifica del gruppo è principalmentefocalizzata sulla progettazione, l'analisi e l'ottimiz-zazione di protocolli per la gestione di reti radio. Gliargomenti considerati includono lo studio di tecni-che di accesso e instradamento per WSN [15], retiad hoc e sistemi eterogenei [16]; sistemi radio perreti industriali [17][18]; l’analisi delle prestazioni discatternet Bluetooth [19][20], le problematiche disupporto di traffici multimediali su reti wireless[21][22], finanche le reti inter-veicolari [23] e l'appli-cazione di modelli economici alla progettazione discheduling per reti radio [24].

Quasi tutte le attività di ricerca trovano inseri-mento nel contesto di progetti nazionali e interna-zionali o in contratti di ricerca con aziende operantinel settore. Tra questi, va menzionato il progettoeuropeo Embedded WiSeNts [25], il cui scopo èdiffondere a livello europeo la conoscenza e l'inte-resse sui sistemi di oggetti cooperanti e promuo-verne lo sviluppo. Per raggiungere tale obiettivo, ilconsorzio si è fatto promotore di diverse iniziative,quali l'organizzazione di conferenze internazionale,la raccolta di materiale didattico e informativo, loscambio di studenti e ricercatori tra le sedi interes-sate, la redazione e diffusione di rapporti tecnicisullo stato dell'arte nel campo degli oggetti coope-ranti e altro ancora (si veda il riquadro: “EmbeddedWiSeNts”).

La partecipazione a questi progetti ha pro-mosso il contatto con altri ricercatori italiani eeuropei, contribuendo al consolidamento dellecompetenze del SIGNET nel settore delle WSN.Inoltre, la partecipazione al progetto europeoEYES (IST-2001-34734), conclusosi nel 2004, haconsentito al gruppo SIGNET di acquisire unnumero considerevole di piattaforme EyesIFXv2,

un protot ipo di nodo sensore svi luppato daInfineon e attualmente impiegato in diverse WSNsperimentali.

L’acquisizione dei nodi EyesIFXv2 ha final-mente reso possibile affiancare all’indagine teo-rica e simulativa uno studio empirico, basato suesperimenti condotti in un sistema reale. A questofine, è stato allestito un testbed per WSN nellaboratorio SIGNET, disegnato in modo da risul-tare flessibile, espandibile e di facile accesso.Inoltre, è stato sviluppato un opportuno softwaredi gestione che facilita la programmazione deinodi, il debug delle applicazioni e l’acquisizionedei risultati. Sia la piattaforma sperimentale che ilsoftware di gestione sono stati sviluppati in unottica di modularità, pensando alle molteplici atti-vità di studio che il gruppo si prefigge di realiz-zare sul testbed.

5.1 La piattaforma sperimentale

I l testbed allestito nel laboratorio SIGNETappare come in figura 4. La stanza è pressochéquadrata con una superficie di circa 90 m2. La retesperimentale si compone di 48 nodi EyesIFXv2,disposti su di una griglia sospesa a 60 cm dal sof-fitto della stanza, in modo da limitare gli effetti dischermatura causati da calcolatori e persone pre-senti nel laboratorio. I nodi sono appesi a cordenautiche dello spessore di 2 mm, costituite da unanima di cotone rivestita da una trama intrecciatadi nylon. Tali corde sono tese per tutta la larghezzadella stanza e vengono fissate alle pareti medianteganci a pressione e tensori metallici regolabili. Inodi sono fissati alle corde in modo da risultareparalleli al pavimento, con le antenne rivolte versoil basso. Inoltre, ogni nodo è connesso a un cavoUSB (Universal Serial Bus) che viene fatto correrelungo la corda, attraverso cui si alimenta e si pro-gramma la piattaforma EyesIFXv2.

FIGURA 4› Laboratorio SIGNET con testbed per reti di sensori.

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563')))



Un'immagine dettagliata del nodo EyesIFX èmostrato in figura 5, dove sono stati posti in evi-denza i vari componenti del sistema. Una descri-zione più dettagliata dei vari elementi della piat-taforma si può trovare nel riquadro dedicato, men-tre la tabella 1 ne sintetizza le principali caratteristi-che tecniche.

I nodi Eyes sono supportati dal sistema opera-tivo TinyOS. Il programma, sviluppato in NesC (siveda il riquadro: “Quando il Sistema operativo si faminuscolo”), può essere compilato e installato sin-golarmente su ogni nodo. Questa operazione, con-cettualmente semplice, risulta nella pratica piutto-sto lenta e tediosa in quanto il codice deve conte-nere l'indirizzo del nodo che si intende program-mare, cosa che impedisce di agire simultanea-mente su più nodi. Al fine di superare questo osta-colo, il gruppo SIGNET ha sviluppato un softwaredi gestione che consente di programmare simulta-neamente diversi nodi, nonché di verificarne il cor-retto funzionamento e di raccogliere i dati e misu-razioni. Il software è stato corredato di una inter-faccia grafica semplice e intuitiva, che ne facilital'uso.

5.2 Primi risultati sperimentali

La predisposizione della piattaforma e delsoftware di gestione hanno richiesto alcuni mesi di

lavoro, ma hanno permesso di acquisire “confi-denza” con il sistema operativo e le peculiaritàdella piattaforma EyesIFXv2. Nel contempo sisono condotte alcune attività sperimentali miratealla caratterizzazione dei nodi EyesIFXv2 in terminidi raggio di copertura e affidabilità della comuni-cazione.

La caratterizzazione dei nodi è stata eseguitaper mezzo di una campagna di misure effettuateall’aperto (outdoor), utilizzando una sola coppia dinodi. Un nodo è stato programmato per trasmet-tere pacchetti a intervalli regolari, mentre l'altro èstato impostato per r icevere tal i pacchett i ememorizzare i l valore di RSSI (Radio SignalStrength Indicator) prelevato, che dovrebbe for-nire una misura della potenza ricevuta (si veda ilriquadro: “La piattaforma EyesIFXv2 in dettaglio”).Si sono eseguite una serie di misure, allonta-nando progressivamente il nodo in ricezione daltrasmettitore. Al fine di verificare l'isotropia delleantenne sul piano orizzontale, inoltre, le misuresono state ripetute a parità di distanza tra i duenodi, ma ruotando il nodo ricevitore secondol'asse dell'antenna esterna. I dati raccolti sonoillustrati in figura 6, che mostra su un grafico tridi-mensionale il valore di RSSI misurato in funzionedella distanza. La terza dimensione è relativaall’angolo di rotazione dell’antenna in ricezioneattorno al proprio asse.

Si può osservare che, come atteso, il valore di

Caratteristica

Tensione di alimentazione

Consumo di corrente in modalità dirisparmio energetico

Consumo di corrente con radioin trasmissione

Consumo di corrente con radioin ricezione

Massima potenza in trasmissione

Modulazione

Frequenza di trasmissione

Raggio massimo di copertura outdoor

Raggio massimo di copertura indoor

Velocità di trasmissione

Capacità memoria RAM

Capacità memoria ROM

TrasduttoriTrasduttori

Sistema Operativo

Costo

9!"!A

Valore

3 V

12 mA

9,42 mA

4 dBm

FSK

868,3 MHz

~80 m

~40 m

19200 bit/s

10 kB

48 kB

Luce, Temperatura, RSSI

TinyOS

~70 euro per sensore,~300 euro per kit di prova

FSKRAMROMRSSI

====

Frequency Shift KeyingRandom Access MemoryRead Only MemoryRadio Signal Strength Indicator

TABELLA 1› Caratteristiche principali della piattaforma per reti di

sensori EyesIFX v2.0.

connettore JTAGTDA5250

sensore int.luminosa

quarzoledsensore

temperaturaconn.

alim. ext

conn.SMA

antennainterna

potenziometrodigitale

connettoreper espansioni

pulsantee ledreset

quarzo permodulatore

FSK

connettoreUSB

FTDI2232C

connettoreJTAGMSP430F1611

FIGURA 5› Piattaforma EyesIFX v2.0 (faccia superiore e inferiore).

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563')).



RSSI misurato decresce al l ’aumentare del ladistanza, eccezion fatta per alcuni punti in cui si èverificata una perdita ingente di pacchetti in rice-zione. Tali perdite sono spesso causate da feno-meni di riflessioni del segnale sul terreno che pro-ducono interferenza distruttiva al ricevitore. Allevolte, tuttavia, gli errori in ricezione possonoessere causati da malfunzionamenti temporaneidei nodi, che si risolvono nel modo più classico,ovvero riavviando la piattaforma! Dalla figura sinota anche come la caratteristica di radiazionerisulti abbastanza indipendente dall'angolo diricezione, verificando quindi l’ipotesi di isotropiaplanare dell'antenna.

Oltre alle attività qui presentate, il gruppo starealizzando altri progetti, con lo scopo di creareun insieme di moduli software che offrono servizidi base, come la localizzazione dei nodi nell'a-rea, l'accesso al mezzo e l'instradamento, e chepossono essere composti per creare diverseapplicazioni.

Embedded WiSeNts(Wireless Sensor Networks)

Embedded WiSeNts è una AzioneCoordinata f inanziata dal laCommissione Europea nell'ambitodelle Tecnologie per la Societàdell ' Informazione nel sesto pro-gramma quadro. Il progetto, che haavuto inizio il primo settembre 2004 esi concluderà ufficialmente il 31 ago-sto 2006, si compone di dodici part-ner, provenienti da dieci diversi statiEuropei, che vantano una vasta espe-rienza nel campo delle comunicazioniradio, dei sistemi di calcolo distribuitoe ubiquo e, in particolare, delle retiradio di sensori. I partner italiani sonoil Dipartimento di Ingegneriadell’Informazione (DEI) dell’Universitàdi Padova, e i l ConsorzioInteruniversitario Nazionale perl’Informatica (CINI), di Roma.L'obiettivo principale di EmbeddedWiSeNts è promuovere la ricerca alivello europeo sui sistemi di oggetticooperanti (COS). L'azione del con-sorzio si rivolge sia agli enti di ricercapubblici e privati che alle aziendeinteressate alla produzione delle tec-nologie di base o allo sviluppo di ser-

vizi per tali sistemi. Per raggiungerequesto obiettivo, l'azione del consor-zio si sviluppa in due direzioni princi-pali.

• Integrazione della ricerca esistentee promozione della didattica

La ricerca in Europa sui diversi aspettiche costituiscono questo vasto sce-nario d'indagine, seppur ben avviata,si svolge ancora in maniera locale eisolata. Al fine di promuovere la crea-zione di una comunità di r icercascientifica aperta, che faciliti la circo-lazione delle idee e delle conoscenzetra i ricercatori, il consorzio ha spon-sorizzato le edizioni 2005 e 2006 dellaconferenza EWSN (European WirelessSensor Networks) che ha radunatocentinaia di r icercatori da tuttaEuropa e non solo. Inoltre, il consor-zio ha avviato un programma di scam-bio di ricercatori tra le universitàeuropee e di visite da parte d’espertiinternazionali nelle varie tematicheconsiderate nel progetto, allo scopodi creare contatti e agevolare la diffu-sione delle competenze.Per promuovere l'insegnamento deidiversi argomenti che riguardano iCOS, il consorzio sta realizzando unportale web dove reperire materialedidatt ico ed educativo sul l 'argo-mento. Inoltre, si sta ultimando unprogetto pilota per consentire l’ac-cesso via Internet a una rete di sen-sori, fisicamente realizzata in un labo-ratorio dell'Università di Copenhagen.

L’interfaccia web consentirà la preno-tazione del testbed, la programma-zione dei nodi, l'esecuzione dell'espe-rimento e la raccolta dei dati, tutto daremoto!

• Definizione della “roadmap” perl'adozione della tecnologia

L’obiettivo forse più lungimirante delconsorzio è la definizione di una road-map per lo sviluppo dei COS. In altritermini, ci si propone di identificare letappe da percorrere nel prossimodecennio e gli ostacoli da superare alfine di rendere i COS una realtà siatecnologica che commerciale. Perpoter tracciare la roadmap è necessa-rio acquisire una buona consapevo-lezza dello stato dell'arte attuale edel l ' insieme di applicazioni chepotrebbero essere rese possibili daiCOS e che non sono realizzabili con letecnologie e i sistemi odierni. A talscopo, Embedded WiSeNts ha redattouna serie di studi che descrivono lostato dell'arte per quanto riguarda leapplicazioni e gli algoritmi per reti disensori e sistemi distr ibuit i[9],[14],[29],[30] e un documento tec-nico che riporta i risultati di un’inda-gine sulle piattaforme software ehardware e sugli strumenti disponibiliper lo sviluppo di COS [13]. Il consor-zio, inoltre, ha organizzato un con-corso, intitolato “Sentient FutureCompetition”, per le più interessantiapplicazioni futuristiche per COS [10].

1200

distanza [m]

RS

SI [m

V]

distanza [m]

0

50

1000

800

600

400

200

50

0

-50 -50

0

FIGURA 6› RSSI misurato al variare della distanza e della rotazione

sull’asse dell’antenna di ricezione.

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563'))1



6. Conclusioni

Le reti radio di sensori rappresentano unodegli argomenti più interessanti e promettentinell’attuale panorama scientifico internazionale. Ipossibili campi di applicazione sono vastissimi eancora largamente inesplorati. La commercializ-zazione dei primi dispositivi per reti di sensori,come Bluetooth e ZigBee, ha contribuito a por-tare queste tematiche al di fuori dei limitati con-fini dei laboratori di ricerca universitari, stimo-lando l’interesse di piccoli e grandi imprenditoriche vedono nelle WSN sia uno strumento per

migliorare la produttività delle proprie impreseche una possibilità di espandere l’attività su unnuovo mercato.

Ad oggi, tuttavia, la realizzazione di molti degliscenari applicativi proposti per le WSN appareancora lontana. Gli ostacoli principali sono costi-tuiti dal costo ancora elevato dei nodi sensore,dalla limitatezza delle capacità d’elaborazione etrasmissione e dalla scarsa autonomia energe-tica. Tuttavia, la comunità scientifica sta lavo-rando alacremente per proporre soluzioni semprepiù efficienti per WSN, sia in termini di hardwareche di software per la gestione delle reti. Il risul-

LA PIATTAFORMAEYESIFXV2

• TrasduttoriLa piattaforma EyesIFX dispone di tretrasduttori: un sensore di tempera-tura, uno di luminosità e un circuitoper la rilevazione della potenza delsegnale radio ricevuto RSSI (RadioSignal Strength Indicator).Il sensore di temperatura opera nel-l'intervallo da -30 a 100 °C, fornendo inuscita una tensione che può variarefra i 300 e 1600 mV, linearmente pro-porzionale alla temperatura espressain gradi centigradi (+10 mV/°C). Il sen-sore è calibrato in modo tale dagarantire un errore inferiore a circa 2,0°C alle temperature usuali e comun-que non superiore a circa 3,0 °C nel-l'intervallo da -25 a 85 °C.Il sensore di luminosità è costituito dadue celle fotoconduttrici al solfuro dicadmio con risposta spettrale simile aquella dell’osservatore tipico. La resi-stenza delle celle decresce all'aumen-tare dell’intensità luminosa, passandoda valori dell’ordine di grandezza delMhom in condizioni di buio fino alcentinaio di hom se sottoposte a unflusso luminoso di 1000 lux.La misura del la potenza r icevuta(RSSI) avviene per mezzo di un cir-cuito limitatore. Il segnale radio rice-vuto viene separato nelle sue duecomponenti in fase e quadraturaattraverso uno stadio di filtri passa

basso. Ciascun canale è seguito daun blocco di amplificatori multistadiocon guadagno in banda di circa 80 dB.All’uscita degli amplificatori si pre-leva una tensione proporzionale allapotenza ricevuta da ogni canale. Idue valori così ottenuti vengono som-mati a formare il valore di RSSI com-plessivo.Oltre a questa dotazione standard, lapiattaforma mette a disposizione unconnettore a 16 pin collegato al busdel microprocessore attraverso cui èpossibi le connettere una serie diattuatori che il nodo è in grado di pilo-tare. Sono anche disponibili quattroled, utili per semplici indicazioni dellostato del nodo.

• MicrocontrolloreIl microcontrollore installato sui nodiEyesIFXv2 è il MSP430F1611 prodottodalla Texas Instruments. Esso disponedi sei modalità di funzionamento,selezionabili via software, per ridurreil consumo energetico. Nelle modalitàad elevato risparmio energetico (statisleep) il microcontrollore disattivaalcuni clock ed esegue solo pocheroutine di controllo in modo da ridurreal minimo il dispendio energetico. Uninterrupt permette i l r isveglio deldispositivo da uno di questi cinquestati in modo da soddisfare la richie-sta di servizio ricevuta, al terminadella quale la CPU può ritornare aoperare allo stato di sleep. Per pre-servare ulteriormente l'energia dellabatteria, il nodo dispone di un DMA(Direct Memory Access) che permetteal le periferiche di accedere al lamemoria senza risvegliare la CPUconsentendo inoltre un accesso aidati più veloce. La memoria integrataal microprocessore consiste in unaRAM di 10 kbyte e una Flash ROM di48 kbyte.

• Chip radioIl circuito integrato TDA5250 prodottoda Infineon è un chip radio dai consumiridotti che permette di creare un canaledati half duplex utilizzando una modu-lazione FSK (Frequency Shift Keying)sulla banda 868-870 MHz. La velocità ditrasmissione teorica è di 64 kbit/s, maessa viene limitata a soli 19,2 kbit/s dalfirmware della piattaforma per ridurre iconsumi energetici. Il chip è anchedotato di un circuito di auto-interru-zione (self polling) che consente di evi-tare di “svegliare” il microprocessorenel caso la qualità del segnale sia taleda non garantire la corretta ricezionedel pacchetto. Inoltre, l’integrato puòessere posto in uno stato di basso con-sumo energetico (Power Down Mode)in cui assorbe 9 "A di corrente, circatre ordini di grandezza in meno rispettoai consumi in ricezione e trasmissione. La trasmissione e la ricezione delsegnale radio avvengono per mezzo diun’antenna esterna compatta, realiz-zata tramite un disegno elicoidale, conuno spettro di emissione isotropico nelpiano ortogonale al suo asse. Il nododispone inoltre di una seconda antennaradiante, integrata nel circuito stam-pato, che può essere selezionata inalternativa alla prima variando un con-tatto sulla scheda (operazione tutt’altroche agevole!).

• AlimentazioneIl sensore necessita di una tensione dialimentazione compresa tra i 2,7 V e i3,6 V che può essere fornita tramitebatteria, connessione USB o con unalimentazione esterna. La batteria allitio (CR2477), tuttavia, può risultaresottodimensionata per le potenze ingioco nei nodi, inficiando gravementela comunicazione. Il problema non sipresenta con le altre sorgenti di ali-mentazione.

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563'))9



tato di questa azione è stata la creazione dinumerosi prototipi di nodi sensore, con funziona-lità e limiti diversi. Nonostante la diffusione didiverse piattaforme per nodo sensore rappre-senti, per certi versi, un ostacolo allo sviluppo disoluzioni standard per WSN, essa ha dato unnotevole impulso all’attività di sperimentazionesul campo, promuovendo la creazione di testbedin svariati laboratori di ricerca, tra cui il laborato-rio SIGNET, all'Università di Padova. La possibi-lità di confrontarsi con le problematiche tipichedei sistemi reali offre ai ricercatori nuovi spuntiper la definizione di soluzioni che siano più effi-cienti e, soprattutto, facilmente realizzabili supiattaforme commerciali.

La sperimentazione, dunque, rappresenta unatappa fondamentale nel percorso che porta unnuovo sistema di comunicazione alla maturità e alsuccesso commerciale. Pertanto, è auspicabileche il diffondersi di reti sperimentali e la conse-guente crescita dell'attività implementativa, aiu-tino le tecnologie per WSN a raggiungere ungrado di avanzamento tale da consentire la realiz-zazione in un prossimo futuro della maggior partedegli scenari applicativi descritti, aprendo così unnuovo, stimolante mercato, ricco di aspettative edi potenzialità.

[1] “Special Interest Group on NETworking”, Department ofInformation Engineering (DEI), University of Padova, Italy.www.dei.unipd.it/ricerca/signet/

[2] “Embedded WiSeNts: Cooperating EmbeddedSystems for Exploration and Control featuring WirelessSensor Networks” Project FP6-004400, (www.embed-ded-wisents.org)

[3] “TinyOS: An open source operating system for WSN”(www.tinyos.net)

[4] D. Guerri, M. Lettere, and R. Fontanelli, Ambient“Intelligence Overview: Vision, Evolution andPerspectives”, 1st GoodFood AmI Workshop,Florance, 6/2004.

[5] “Hogthrob, Networked on-a-chip nodes for sow monito-ring”, (www.hogthrob.dk/).

[6] GlacsWeb (www.envisense.org)[7] Smart P. J. Marron, O. Saukh, M. Kruger, and C. Grose:

“Sensor Network Issues in the Sustainable BridgesProject”, European Project Session of the 2nd EuropeanWorkshop on Wireless Sensor Networks (2005).

[8] P. Havinga, P. Jansen, M. Lijding, and H. Scholten:“Smart Surroundings”, Proceedings of the 5th ProgressSymposium on Embedded Systems (2004).

[9] Embedded WiSeNts consortium: “Applications & appli-cation scenarios”, White paper, 4/2006,www.embedded-wisents.org

[10] Embedded WiSeNts consortium: “VisionaryApplications”, White paper, 4/2006,www.embedded-wisents.org

[11] William C. Craig: “Zigbee: Wireless Control That SimplyWork”, www.zigbee.org

[12] “EYES: Energy efficient sensor networks”, Project IST-2001-34734 (www.eyes.eu.org)

[13] Embedded WiSeNts consortium: “Research Integration:Platform Survey. Critical evaluation of platforms com-monly used in embedded wisents research” Whitepaper, 4/2006, www.embedded-wisents.org

[14] Embedded WiSeNts consortium: “Paradigms for algo-rithms & interactions”, White paper, 4/2006,www.embedded-wisents.org

15. M. Zorzi and R. R. Rao: “Geographic random forwarding(GeRaF) for ad hoc and sensor networks: energy andlatency performance”, IEEE Trans. on MobileComputing, vol. 2, no. 4, pp. 349–365, 2003.

[16] M. Gerla, Y. Lee, R. Kapoor, T. Kwon, A. Zanella:“UMTS-TDD: A Solution for Internetworking BluetoothPiconets in Indoor Environments”, Proceedings ofISCC’02 Taormina, July 1-4, 2002

[17] F. De Pellegrini, D. Miorandi, S. Vitturi, A. Zanella: “Useof New Generation WPANs for Real-Time Industrial

— BIBLIOGRAFIA

ADC Analog to Digital ConverterASIC Application Specific Integrated CircuitCINI Consorzio Interuniversitario Nazionale per

l’InformaticaCOS Sistemi di Oggetti CooperantiCPU Central Processing UnitDAC Digital to Analog ConverterDEI Department of Information EngineeringDSP Digital Signal ProcessingFPGA Field Programmable Gate ArrayFSK Frequency Shift KeyingICT Information and Communication TechnologiesISM Industrial Scientific MedicalOS Operative SystemRAM Random Access MemoryROM Read Only MemoryRSSI Radio Signal Strength IndicatorSIGNET Special Interest Group on NETworkingWSN Wireless Sensor Network

— ABBREVIAZIONI

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563'))-



Communications”, 10th IEEE International Conferenceon Emerging Technologies and Factory Automation(ETFA2005). 19-22 September 2005

[18] F. De Pellegrini, D. Miorandi, S. Vitturi, A. Zanella: “Onthe Use of Wireless Networks at Low Level of FactoryAutomation Systems”. IEEE Transactions on industrialinformatics. ISSN: 1551-3203. In Press.

[19] D. Miorandi, A. Zanella, G. Pierobon: “Performance eva-luation of Bluetooth polling scheme: an analyticalapproach” Mobile Networks and applications. vol. 9,pp. 63-72 ISSN: 1383-469X. Feb. 2004

[20] R. Kapoor, A. Zanella, Per Johansson, M. Gerla: “A fairand traffic dependent scheduling algorithm forBluetooth scatternets”, Mobile Networks and applica-tions. vol. 9, pp. 9-20 ISSN: 1383-469X. Feb. 2004

[21] A. Zanella, D. Miorandi, S. Pupolin, and P. Raimondi:“On Providing Soft-QoS in Wireless Ad-Hoc Networks”,Proceedings of WPMC'03, pp. 91-95, October 19-222003, Yokosuka, Kanagawa, Japan

[22] F. De Pellegrini, F. Maguolo, A. Zanella., M. Zorzi: “ACrossLayer Solution for VoIP over IEEE802.11”,WPMC2005. September 18-22, 2005 in Aalborg,Denmark

[23] E. Fasolo., R. Furiato, A. Zanella: “Smart Broadcastalgorithm for inter–vehicular communications”,WPMC2005. September 18-22, 2005 in Aalborg,Denmark

[24] L. Badia, S. Merlin, A. Zanella, M. Zorzi: “PricingVoWLAN Services through a Micro-economicFramework”, IEEE Wireless Communications. ISSN:1536-1284. In press

[25] Embedded WiSeNts consortium: “Applications & appli-cation scenarios”, White paper, 4/2006,www.embedded-wisents.org

[26] I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci:“Wireless sensor networks: a survey”, ComputerNetworks, 2002, vol 38, pp: 393-422

[27] A. Dunkels, B. Grnvall, T. Voigt: “Contiki - a lightweightand flexible operating system for tiny networked sen-sors”. In Proceedings of the First IEEE Workshop onEmbedded Networked Sensors, Tampa, Florida, USA,November 2004.

[28] “RUNES: Reconfigurable Ubiquitous NetworkedEmbedded Systems”, IST Project, www.ist-runes.org/

[29] Embedded WiSeNts consortium: “Vertical system func-tions”, White paper, Apr. 2006, www.embedded-wisents.org

[30] Embedded WiSeNts consortium: “System architectureand programming models”, White paper, 4/2006,www.embedded-wisents.org

Andrea Zane l la ha consegui to laLaurea in Ingegneria dell' Informazione nel1998 e il Dottorato di Ricerca in IngegneriaElettronica e del le Telecomunicazioni nel2002, presso l 'Univers i tà degl i Studi d iPadova. Nel 2001 ha trascorso nove mesicome ricercatore post-doc al dipartimento diComputer Sc ience de l l 'Un ivers i tà de l laCalifornia, Los Angeles (UCLA), dove è statoattivamente impegnato in attività di ricerca su

tematiche concernenti le reti radio e i protocolli Internet. Dalgennaio 2004 è in serv iz io come Ricercatore presso i lDipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell'Università diPadova, dove partecipa attivamente alle attività di ricerca e alcoordinamento del gruppo SIGNET.

Michele Zorzi ha conseguito la Laureain Ingegneria Elettronica, presso l'Università diPadova nel 1990 e il Dottorato di Ricerca nel1994. Successivamente, ha trascorso tre anninel Centro di W ire less Communicat ionsdel l 'Universi tà di Cal i fornia a San Diego(UCSD), qu ind i è stato docente a lDipartimento di Elettronica e Informatica delPolitecnico di Milano per trasferirsi nel 1998 alDipartimento di Ingegneria dell'Università di

Ferrara. Dal 2003 è Professore Ordinario all'Università di Padova.La sua attività di ricerca include la valutazione delle prestazioni disistemi di comunicazione mobile e, in particolare, le reti disensori. Inoltre, è coinvolto nella editoria di diverse riviste delsettore, come IEEE Wireless Communications Magazine, IEEETransactions on Communications, IEEE Transactions on WirelessCommunications, IEEE Transactions on Mobile Computing, ilW i ley Journa l o f W i re less Communicat ions and Mobi leComputing e ACM/URSI/Kluwer Journal of Wireless Networks.

!"#!$%&'$('')*+,-+.,,/''))01.''234563'))/

Reti di sensori: dalla teoria alla pratica - DEIzanella/PAPER/CR_2006/Notiziario06_RetiSens.pdf ·...

Documents

Transcript of Reti di sensori: dalla teoria alla pratica - DEIzanella/PAPER/CR_2006/Notiziario06_RetiSens.pdf ·...