SISTEMA DI MONITORAGGIO AMBIENTALE TRAMITE WSN

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1 Università degli Studi di Pavia Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica SISTEMA DI MONITORAGGIO AMBIENTALE TRAMITE WSN Relatore: Prof. Paolo Ettore Gamba Correlatore: Ing. Emanuele Goldoni Tesi di laurea di Filippo De Stefani

2 : Realizzazione di un sistema di monitoraggio ambientale: out-of-the-box economico FASI: 2) Progettazione WSN 3) Progettazione sistema di memorizzazione, consultazione ed analisi dati 4) Test (propagazione radio, prestazioni del sistema) espandibile versatile UTENTE open source DB SERVER WSN WEB SERVER

3 COSA È UNA WSN Una WSN (Wireless Sensor Network) è una rete wireless composta da elementi in grado di compiere misurazioni, elaborarle e comunicarle ad un punto centrale

4 SFIDE DI UNA WSN SFIDE DI UNA WSN: ENERGIA LIMITATA TOPOLOGIA DELLA RETE DINAMICA GRANDE ESTENSIONE PROBLEMI DI COMUNICAZIONE CONDIZIONI AMBIENTALI AVVERSE MECCANISMI NECESSARI: OPERAZIONI ENERGY-EFFICIENT CONNESSIONI MULTI-HOP RETE AUTO-CONFIGURANTE

5 APPLICAZIONI POSSIBILI DOMESTICO: Home Automation Smart Metering INDUSTRIALE: Automazione Supply Chain AMBIENTALE: Agricoltura di precisione Monitoraggio MILITARE: Sorveglianza Tracking obiettivi BIOMEDICO: Monitoraggio parametri biologici TRASPORTI: Sensori intra-vehicle Monitoraggio traffico

6 SOLUZIONI ESISTENTI DI MONITORAGGIO Sono già disponibili soluzioni per il monitoraggio ambientale Il progetto realizzato si differenzia per: BASSO COSTO COMPLETEZZA HARDWARE dei nodi adoperati

7 NODI ADOPERATI SQUIDBEE (Libelium) ARDUINO - Atmel ATmega Mhz clock - 16 K Flash - Linguaggio di programmazione basato su Wiring (un derivato di C) SENSORI XBEE - IEEE Banda: 2.4 Ghz - Data rate: 250 kbit/s Umidità Temperatura PRO CONTRO COSTO (120 ) CONSUMI SEMPLICITÀ MEMORIA Luminosità

8 FUNZIONALITÀ DELLA WSN FUNZIONALITÀ SVILUPPATE: DUTY-CYCLING POWER MANAGEMENT ROUTING FUNZIONALITÀ GIÀ IMPLEMENTATE: TRASMISSIONE DEI BIT MEDIUM ACCESS CONTROL

9 POWER MANAGEMENT Protocollo di SLEEP / WAKEUP di tipo SCHEDULED RENDEZVOUS Schedulazione composta da 3 fasi: SAFETY attivazione ACTIVE trasmissione e ricezione pacchetti SLEEP stand-by SAFETY RADIO ON SLEEP ACTIVE RADIO OFF

10 ROUTING ROUTING REATTIVO GERARCHICO SINK GERARCHICO: Struttura gerarchica, divisa in cluster, gestiti da clusterhead CLUSTER REATTIVO: Ogni nodo contiene solo l indirizzo del suo clusterhead CLUSTER-HEAD In caso di messaggi che richiedono un forward path (dalla radice alle foglie), i cluster-head apprendono il percorso on-demand

11 SISTEMA DI MEMORIZZAZIONE E CONSULTAZIONE ARCHITETTURA HARDWARE ARCHITETTURA SOFTWARE APPLICAZIONE WEB BROWSER

12 APPLICAZIONE WEB (1/4) MONITORAGGIO ULTIMA RILEVAZIONE MAPPA NODI DATI ULTIME RILEVAZIONI GRAFICI ULTIME 24H

13 APPLICAZIONE WEB (2/4) ANALISI DEI DATI FORM RICHIESTA DATI GRAFICI RICHIESTI

14 APPLICAZIONE WEB (3/4) GESTIONE DEGLI ALLARMI IMPOSTAZIONI AREA DI ALLARME AREA DI ALLARME UTENTI REGISTRATI

15 APPLICAZIONE WEB (4/4) VISUALIZZAZIONE DELLO STATO DELLA WSN DATI CONNESSIONE NODO WSN

16 1) ANALISI PROPAGAZIONE RADIO 2) DEL SISTEMA COMPLETO

17 ANALISI PROPAGAZIONE RADIO NON POSIZIONARE I NODI IN BASSO!

18 DEL SISTEMA COMPLETO CONFIGURAZIONE STRUTTURA DELLA WSN Deployment di 4 nodi in ambiente chiuso SINK Intervallo di trasmissione di 1 minuto % PACCHETTI PERSI Nodo più lontano e con antenna integrata 5 4,6 4 Dopo 4 ore e 41 minuti: batterie (150 mah) ancora cariche ,35 2 Autonomia potrebbe essere di qualche giorno se: 0 3 ID NODO AUTONOMIA Batterie da 2500 mah 4 Meccanismo di power saving MCU Intervallo di trasmissione più lungo

19 CONSIDERAZIONI FINALI Il sistema funziona correttamente e con buone prestazioni Aspetti migliorabili IMPLEMENTARE SICUREZZA WSN, comunicazioni client-server, applicazione web IMPLEMENTARE MECCANISMO RISPARMIO ENERGETICO MCU ESPANDERE FUNZIONALITÀ INTERFACCIA MIGLIORARE GESTIONE MULTI-UTENZA

20 FINE GRAZIE DELL ATTENZIONE