R2.2 Architettura di rete

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1 R2.2 Architettura di rete Provincia Autonoma di Trento Bando 5/2009 Interventi attraverso partnership tra imprese e organismi di ricerca per lo sviluppo della ricerca e dell innovazione Programma Operativo Fondo Europeo di Sviluppo Regionale FESR Obiettivo2: Competitività regionale e Occupazione Legge provinciale n. 6 del 1999 Con la partecipazione scientifica di Con il supporto di NRS R2.2 Architettura di rete pag. 1/10

2 Informazioni Documento Titolo R2.2 Architettura di rete Nome file r2.2-architettura_di_rete-1.0 Obiettivo realizzativo OR2 Progettazione Sistema HW Risultato atteso R2.2 Documento dell architettura di rete Tipologia attività Ricerca Industriale (RI) Coordinatore Algorab Srl [AL] Data inizio redazione 01/11/2010 Autori Davide Franceschini [AL], Luigi Rizzi [AL] Revisore Andrea Danzi [RD] N pagine 10 Ultima modifica 15/04/2013 Versione 1.1 Introduzione...3 Architettura della rete di sensori...4 Coordinatore WSN...7 Dispositivo di gateway...9 NRS R2.2 Architettura di rete pag. 2/10

3 Introduzione Il presente documento riporta la descrizione delle scelte architetturali effettuate per il sistema di monitoraggio delle strutture paramassi. La scelta soluzione è stata condizionata da un lato dalla necessità di garantire un lunga durata alle batterie dei nodi sensore, dall altro lato per soddisfare i vincoli di installazione dei componenti della WSN sulle barriere paramassi. Il documento riporta inoltre le principali caratteristiche dei componenti utilizzati per l implementazione dell architettura di rete. NRS R2.2 Architettura di rete pag. 3/10

4 Architettura della rete di sensori Premessa Una Wireless Sensor Network basata su standard ZigBee è composta da nodi che per funzionalità possono essere raggruppati in 3 categorie: End Node, Router Node e Coordinator Node. I dispositivi di tipo End Node sono quelli che effettivamente si occupano di collezionare, tramite opportuni sensori, informazioni dall ambiente in cui sono immersi. Sono dotati di funzionalità sufficienti in modo da poter trasmettere informazioni al nodo router o al nodo coordinatore. Non si occupa di ritrasmettere dati provenienti dal altri nodi. Questa modalità di funzionamento permette ad un dispositivo end node di rimanere nello stato di sleep mode per intervalli di tempo significativi e quindi di allungare la durata delle batterie. Una tipologia di nodi pensata per svolgere funzioni più complesse è della del router node e del coordinator node. Un nodo router, oltre ad ospitare delle funzionalità applicative più complesse, si configura come nodo intermedio e svolge operazioni di instradamento dei dati tra i vari dispositivi (ad esempio inoltrando i messaggi solo dopo che il nodo destinazione si risveglia dallo sleep mode). Un nodo router deve essere per tanto sempre attivo. Il dispositivo con maggiori risorse energetiche e computazionali deve essere il nodo coordinatore. Esso rappresenta la radice di tutto l albero della WSN (ogni rete di sensori ha un solo coordinatore) e si occupa del collegamento della WSN con altre reti (ad esempio di tipo LAN o WAN). Gestisce inoltre tutti gli aspetti di coordinamento della rete, compresi autentificazione, associazione e sicurezza. Di conseguenza, ne nodi router ne nodi coordinatore possono essere alimentati solamente a batteria e possono passare in modalità sleep mode (devono sempre poter memorizzare pacchetti da consegnare a dispositivi end node). Figura 1: Topologia di una rete ZigBee. Dalle considerazioni effettuate e dallo schema mostrato in Fig. 1, è possibile affermare che lo standard ZigBee crea reti con una topologia a stella. Infatti, un dispositivo End Node può essere connesso solo ad un router o ad un coordinatore e non con un altro End Node. NRS R2.2 Architettura di rete pag. 4/10

5 Al contrario, i router possono stabilire connessioni con altri router o con il coordinatore. Lo standard ZigBee, dunque, crea delle reti di sensori con topologia a stella. Infatti per ottenere una topologia di rete completamente a mesh, tutti i dispositivi devono poter comunicare direttamente senza utilizzare nodi ad un livello gerarchico superiore (come i nodi di router o i nodi coordinatore). Un esempio di struttura di rete a mesh è mostrato in Fig. 2. Figura 2. Topologia di una rete di tipo mesh. Per ottenere una rete con una topologia come quella di Fig. 2 è necessario che tutti i nodi abbiamo lo stesso ruolo e incorporino le funzioni di end device e router. In questa maniera i nodi sono in grado di inoltrare i messaggi ai nodi adiacenti e successivamente entrare in sleep mode per risparmiare energie nei periodi di inattività. Architettura delle WSN per reti paramassi La topologia della WSN è fortemente legata alla configurazione tipica di una rete/barriera paramassi che ha una struttura tipicamente lineare (Fig. 3) che vincola l installazione dei nodi sensore. Figura 3. Tipica struttura di una rete paramassi. NRS R2.2 Architettura di rete pag. 5/10

6 L architettura che verrà utilizzata sarà a stella in cui tutti i nodi sensore comunicano direttamente con il dispositivo di gateway. Non verrà utilizzato un protocollo di instradamento di tipo multi-hop dato che i nodi sensore sono tipicamente in sleep mode e quindi non nelle condizioni di inoltrare messaggi provenienti da altri nodi. Qualora le distanze in gioco non permettano a tutti i nodi sensore di inviare i dati direttamente al gateway, verranno installati dei nodi router la cui funzione è solamente quella di propagare i messaggi inviati dai nodi verso il gateway. Non è escluso che il sistema in futuro possa sfruttare algoritmi di routing più sofisticati che consentano di eliminare la presenza dei nodi routing e quindi ridurre i costi del sistema. Un tipico esempio di topologia della WSN installata su una barriera paramassi è mostrata in Fig. 4. Figura 4. Esempio di posizionamento dei nodi sensore su una barriera paramassi. NRS R2.2 Architettura di rete pag. 6/10

7 Coordinatore WSN Per realizzare la soluzione architetturale descritta nella sezione precedente, sono stati realizzati i componenti per il dispositivo gateway. Tale dispositivo sarà dotato di un modulo Coordinatore che è stato anch esso realizzato nell ambito delle attività di OR2. La funzione del coordinatore è quella di garantire l interfacciamento con la rete WSN basata su standard IEEE e trasferire i dati acquisiti sul canale wireless ad una unità che funge da gateway 1 verso la piattaforma remota. Il dispositivo coordinatore è mostrato in Fig. 5 e Fig 6. Figura 5. Dispositivo coordinatore delle rete WSN. I principali componenti del coordinatore sono i seguenti: microcontrollore ATxmega256A3 interfacciato con clock real-time (RTC), MA41T93, gli stessi utilizzati nei nodi sensore; modulo GPS S1315F SkyTraq, (sensibilità - 148dBm cold start, -161dBm modalità tracking) con accuratezza senza correzione differenziale di 2.5m CEP; uscita RS485 per interfacciamento con modulo gateway. Interfaccia per connessione con antenna esterna. A differenza dei nodi sensore, lo stadio a radiofrequenza non è integrato nel dispositivo coordinatore per garantire la possibilità di posizionare l antenna all esterno di un eventuale quadro per l installazione in siti outdoor. La soluzione ideata a tele scopo è mostrata in Fig. 7, dove l antenna e il chip radio Atmel AT86RF231 garantiscono la compatibilità con gli 1 Il dispositivo di gateway è decritto nel seguito. NRS R2.2 Architettura di rete pag. 7/10

8 stadi radiofrequenza dei nodi sensore. Figura 6. Dispositivo coordinatore delle rete WSN con packaging. Figura 7. Antenna e modulo radio per il dispositivo coordinatore. NRS R2.2 Architettura di rete pag. 8/10

9 Dispositivo di gateway Il modulo che completa l architettura descritta nelle sezioni precedente è un dispositivo che mette in comunicazione la WSN con le così dette Wide Area Network (WAN), in modo da abilitare un flusso di dati bidirezionale tra il sito monitorato e la piattaforma remota permettendo la configurazione e l acquisizione dei dati forniti dai nodi sensore. A differenza del caso relativo ai nodi sensore e al dispositivo coordinatore, non è stato necessario realizzare un gateway ad-hoc per il presente progetto, bensì è stata sfruttata una centralina general purpose programmabile, potente ma di dimensioni contenute. Il prodotto è il dispositivo RES-2 prodotto da Algorab. Fissabile su barra DIN, RES-2 è una scheda di facile configurazione, espandibile e versatile. E dotata di ingressi analogici e digitali, uscite con contatti puliti e diverse porte di comunicazione. La memoria RFID in lettura e scrittura rende RES-2 ancora più interessante dal punto di vista della sua gestione e configurazione. RES-2 assolve a una molteplicità di funzioni come telecontrollo, monitoraggio, funzioni di interfaccia, micro PLC. Sulla base di questa centralina è stato realizzato il modulo di espansione del dispositivo coordinatore illustrato nella sezione precedente, connesso alla RES-2 tramite tecnologia di comunicazione RS485. RES-2 è autonoma nella comunicazione, essendo dotata di un modem GPRS che permette la connessione con la piattaforma remota anche da siti isolati, caratteristica particolarmente utile per l applicazione del monitoraggio di strutture paramassi. La Tab. 1 riporta le principali caratteristiche tecniche del gateway di comunicazione. \ Figura 7. Dispositivo utilizzato come gateway per la rete di sensori. NRS R2.2 Architettura di rete pag. 9/10

10 MCU Memoria Termometro digitale 512 Kbytes flash memory 64 Kbytes ram 8-16Mbit Data flash EEPROM 64Kbyte Rf -55 C to +125 C ±0.5 C tra -10 C to +85 C (opzionale) ±1 - tra -10 C to +90 C termometro + ± 2%RH tra 10% -90% igrometro Orologio Real time clock con batteria di backup Segnalazioni Buzzer, LED rosso e LED verde Uscita relè 8 uscite 125V 30VDC) NO oppure NC selezionabile con jumper Ingressi analogici 2 canali indipendenti configurabili con jumper. Ogni canale può avere 2 ingressi singoli o 1 ingresso differenziale. Ingressi singoli (0-1Volt ; 4-20mA; 0-20mA) Ingresso differenziale per sonde PT100 o PT1000 Ingressi digitali 8 ingressi digitali attivi basso Interfacce LAN 10/100 Modem GPRS 2G (opzionale 3G) 2 canali RS485 CAN BUS USB OTG DALI Alimentazione 12V-24V Consumo 400 modalità normale 800 modalità trasmissione MODEM GPRS Range temperatura Min -20 C di esercizio Max 85 C Moduli espansione Espansione I/O 8 ingressi + 8 uscite Modulo GPS Transceiver AT86RF231 a 2.4GHz, supporta i protocolli , ZigBee e 6LoWPAN Display Touch 64x102 pixel retroilluminato verde/rosso Dimensioni 62.2 x x 89.7 (H x L x P) 9 Div. Tabella 1. Caratteristiche tecniche del gateway di comunicazione. NRS R2.2 Architettura di rete pag. 10/10